Vorgeschlagen wird eine verbesserte Elektrolysezelle zur schmelzflußelektrolytischen Gewinnung von Aluminium mit einem kontinuierlichen Anodensystem unter Einsatz von vorgebrannten Anodenblöcken. Die erfindungsgemäße Zelle beinhaltet einerseits ein neues Befestigungssystem für die Anodenblöcke. Dabei werden an den Längsseiten der Anodenblöcke Packungen eines zusammengepreßten Granulates aus kohlenstoffhaltigem Material angeordnet, die zur Befestigung und Stromzuführung dienen. Andererseits können die Kathodenblöcke der Zelle einzeln im Abstand voneinander und im Abstand von der Zustellung des Zellenbodens angeordnet werden, wobei unterhalb der Kathodenblöcke ein Sammelbecken für das abgeschiedene Aluminium gebildet wird. In diesem Falle können die Kathodenblöcke dach- oder halbtonnenförmig ausgestaltet sein, wobei die Unterseite der Anodenblöcke entsprechend der Form der gegenüberliegenden Kathodenblöcke ausgebildet ist.
Beschreibung[de]
Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle zur Gewinnung
von Aluminium nach dem Hall-H}roult-Prinzip.
Da es hier zu viel Raum einnehmen würde, den gegenwärtigen Stand
der schmelzflußelektrolytischen Aluminiumgewinnung, insbesondere
die Konstruktion und den Betrieb der Elektrolysezellen in ihrer
Vielfalt ausreichend genau zu beschreiben, sei auf die folgenden
Publikationen verwiesen:
(1) Winnacker/Küchler; Chemische Technologie, Band 4, 4. Aufl.,
Carl Hanser Verlag München, 1986, Kapitel Aluminium,
S. 252-282;
(2) Grjotheim, K., Welch, B. J.: Aluminium Smelter Technology,
Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 1980;
(3) Light Metals 1986, Edited by R. E. Miller, Proceed. 115th
AIME Annual Meeting, New Orleans, March 1986, S. 343-347,
The Metall. Soc. Inc., Warrendale, PA, USA;
(4) Hall-H}roult-Centennial, First Century of Aluminium Process
Technology 1886-1986, edited by W. S. Peterson und R. E.
Miller, presented at the 115th TMS Annual Meeting, New
Orleans, March 1986, The Metall. Soc. Inc., Warrendale, PA,
USA;
(5) Wilkening, S.: Gewinnung von Aluminium durch
Schmelzflußelektrolyse, Praxis der Naturwissenschaften, Chemie, 35.
Jahrgang, Heft 3, 1986, S. 21-25.
Mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle sollen im Vergleich
zum gegenwärtigen technischen Stand vor allem nachstehende
Verbesserungen erzielt werden, wobei eine Sachgliederung in die drei
folgenden Bereiche für zweckmäßig gehalten wird:
A Gesamtprozeß1. Verminderung des spezifischen elektrischen Energieverbrauchs
bis zu 20%
Die derzeit fortschrittlichsten, computergesteuerten
Aluminium-Elektrolysezellen mit Stromstärken von ca. 150 bis 300 kA
erreichen einen spezifischen elektrischen Energieverbrauch von
rund 13 kwh/kg Aluminium. Die erfindungsgemäße
Elektrolysezelle erlaubt Energieverbräuche von 10 bis 11 kwh/kg Al.
2. Verminderung der Wärmeerzeugung im Elektrolyten durch
niedrigere Stromdichten
Die heute bei Hochstromzellen (> 150 kA) üblichen anodischen
Stromdichten liegen zwischen 0,65 und 0,85 A/cm2. Bei den
früheren kleineren Elektrolysezellen wurden auch anodische
Stromdichten von über 0,85 A/cm2 angewendet. Aus
wirtschaftlichen Gründen und zur Aufrechterhaltung des erforderlichen
Wärmehaushalts ist man nicht unter eine Stromdichte von
0,60 A/cm2 gegangen.
Eine Zielsetzung der erfindungsgemäßen Überlegung ist es nun,
die Stromdichte im Elektrolysebad herabzusetzen, ohne jedoch
die der Stromstärke I proportionale Metallerzeugung der
Elektrolysezelle einzuschränken. Erfindungsgemäß wird dieses
dadurch erreicht, daß die sich gegenüberstehenden aktiven
Anoden- und Kathodenflächen durch eine sinnvolle Formgebung
vergrößert werden, d. h. die Raum-Zeit-Ausbeute soll nicht
vermindert werden. In einer noch zu beschreibenden
Ausführungsart der Elektrolysezelle werden bevorzugt
Stromdichten von kleiner 0,6 A/cm2 verwirklicht.
Um die hier erfindungsgemäß angestrebten Verfahrensbedingungen
zu verdeutlichen, seien die folgenden theoretischen
Zusammenhänge angeführt.
Der theoretische Energiebedarf für die elektrochemische
Reduktion von Al2O3 unter Verwendung einer Kohlenstoffanode
beträgt rd. 6,5 kwh/kg Al. Wenn die technisch
fortschrittlichsten Elektrolyseanlagen den spezifischen Energieverbrauch auf
rd. 13 kwh/kg Al abgesenkt haben, bedeutet das immer noch
einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von ca. 50%. Zur
Abscheidung von 1 kg Aluminium ist die theoretische Strommenge von
2,980 kAh/kg Al notwendig. Bei den unter günstigen
Betriebsbedingungen erreichbaren Stromausbeuten von 93 bis 95% werden
durchschnittlich 3,17 kAh/kg Al benötigt. Der spezifische
elektrische Energieverbrauch resultiert aus dem Produkt von
Stromverbrauch und Zellenspannung:
Die Zellenspannung Uz setzt sich aus dem Ohm&min;schen
Spannungsabfall der Zelle IRz und der Polarisationsspannung Up
zusammen:
Uz = I · Rz + Up
I = Elektrolysestrom
Der Ohm&min;sche Widerstand der Elektrolysezelle Rz, der für die
Wärmeerzeugung verantwortlich ist, verteilt sich auf die drei
wesentlichen Bereiche Anode (RAn), Elektrolyt oder
Elektrolysebad (RBad) und Kathode (RKa). In ihnen werden also die
Wärmemengen
EAn = I² · RAn ,
EBad = I² · RBad und
EKa = I² · RKa
erzeugt.
Die Elektrolysezelle wird in einem thermischen Gleichgewicht
betrieben, und es war immer schon das Bestreben der Fachleute,
den Energieverbrauch und die Wärmeverluste aus Kostengründen
zu minimieren.
Geht man davon aus, daß der spezifische Energieverbrauch bei
einer Stromausbeute von 94% (3,17 kAh/kg Al) 13 kWh/kg Al
beträgt, so erhält man eine Zellenspannung Uz von 4,1 Volt,
für die man folgende Aufteilung ansetzen kann:
UAn= 0,4 V = I · RAnUKa= 0,4 V = I · RKaUBad= 3,3 V = I · RBad + Up4,1 V
Zieht man von UBad = 3,3 V eine Polarisationsspannung Up von
rd. 1,7 V ab, verbleiben für den Ohm&min;schen Spannungsabfall
I·RBad = UΩ,Bad = rd. 1,6 V. Bei gegebener Querschnittsfläche
der Elektroden, d. h. Anode und Kathode, hängen die
Spannungsabfälle selbstverständlich von der Stromstärke bzw. der
Stromdichte ab.
Wenn es, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, gelingt, bei
unveränderter Stromstärke I die Anoden- und Kathodenfläche in
einer Elektrolysezelle zu verdoppeln, würde der Ohm&min;sche
Spannungsabfall im Elektrolyten auf die Hälfte absinken, d. h.
von mindestens 1,6 V auf 0,8 V. Damit würden 0,8 V·3,17
kAh/kg Al = 2,5 kWh/kg Al Energie in Form Joul&min;scher Wärme
weniger erzeugt werden, ohne den interpolaren Abstand zwischen
Anode und Kathode oder die Stromausbeute ungünstig zu
beeinflussen. Die hier aufgezeigte Verminderung des
Energieverbrauchs führt beispielsweise unter anderem zu dem oben
erwähnten Gesamtverbrauch von 10 bis 11 kwh/Al.
3. Verminderung der Wärmeverluste über die Seitenränder der
Elektrolysezelle
Elektrolysezellen älterer Bauarten wurden und werden
größtenteils auch heute noch von den Längsseiten aus bedient, d. h.
von dort aus erfolgt in mehrstündigen, periodischen Abständen
die Zufuhr von Aluminiumoxid in das Elektrolysebad durch
Einstoßen der Abdeckkruste mit dem darüberliegenden
Aluminiumoxid. Bei den neuzeitlichen Elektrolysezellen mit hoher
Stromstärke (> 150 kA) oder modernisierten Elektrolysesystemen
wurde die Oxiddosierung in die Zentralzone der
Elektrolysezellen verlegt, z. B. in die gesamte Mittelgasse oder an
günstige Punkte zwischen den beiden üblichen Anodenblockreihen.
Für die Oxiddosierung werden computergesteuerte, automatisch
betätigte Brech- und Chargiervorrichtungen verwendet, die nach
vorgegebenem Programm eine relativ niedrige Oxidkonzentration
von rd. 1-4 Gew.-% im Elektrolyten aufrechterhalten.
Für das Seitenbord des Elektrolysebeckens gibt es bisher kein
beständiges Auskleidungsmaterial. Aus diesem Grunde wird für
die Seitenborde die Bildung einer Kruste aus erstarrter
Elektrolytschmelze gefordert. Sie wird durch einen ausreichenden
Wärmeentzug über die Seitenwandungen der Elektrolysewanne
gewährleistet. Infolgedessen betragen bei den modernen,
mittelbedienten Elektrolysezellen die Wärmeverluste über die
Seitenwände bis zu 30% der Gesamtwärmeverluste.
Um diesen hohen, seitlichen Wärmeabfluß deutlich
einzuschränken, ist bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die
Fütterung von Aluminiumoxid entlang der Außenränder vorgesehen,
und zwar entweder mit festinstallierten oder beweglich
angeordneten Brechschwertern, mit denen in mehr oder weniger
großen Abschnitten die seitlichen Deckkrusten gebrochen
werden, oder auch punktuell mit Hilfe eines entlang der gesamten
Seitenfront nach Programm verfahrbaren Punktdosierers. Die
durch das flüssige Aluminium und die Elektrolytschmelze zum
Rand geführten Wärmemengen werden dort zum Aufheizen und Lösen
des eingestoßenen bzw. dosiert aufgegebenen Oxids benutzt.
Dadurch wird die wärmeisolierende Randkruste gezielt verstärkt
und vor zu schneller Auflösung geschützt.
Darüber hinaus wird in einer besonderen Ausführungsvariante
das hochwärmeleitende Aluminium durch einen resistenten
Seitensockel, der in seiner Höhe der Aluminiumschicht auf dem
Kathodenboden angepaßt ist, von der Seitenwand weiter entfernt
gehalten.
4. Verminderung der Wärmeverluste über das Abgas um ca. 40%
Es ist beispielsweise üblich, aus einer modernen gekapselten
200 kA-Elektrolysezelle 5000 m3 Abgas abzusaugen. Das
entspricht einem spezifischen Abgasvolumen von 80 m3/kg Al, wenn
für die Zelle eine Stromausbeute von 93% und damit eine
stündliche Al-Erzeugung von 62,5 kg zugrundegelegt wird. Das
theoretisch erzeugte Anodengasvolumen (CO2+CO) ist davon nur
ungefähr der hundertste Teil, nämlich rd. 0,8 m3/kg Al.
Da die erfindungsgemäße Elektrolysezelle von der Konzeption
her weniger Leckagen aufweist und das Gehäuse nur über eine
relativ kleine Klappe einmal täglich für das Metallsaugen
geöffnet werden muß, kann das Abgasvolumen ohne Gefahr für die
Fluoremission auf mehr als die Hälfte verringert werden. Eine
Kühlung der Elektrolysezelle durch das abgesaugte Gas wird
nicht benötigt.
Mit der falschluftreichen Abgasabsaugung werden erhebliche
Wärmemengen aus dem Raum über dem Anodenschild abgeführt, wie
folgende Überschlagsrechnung zeigt: Mit einem Wärmeinhalt des
Abgases von 2,83 · 10-4 kwh/kg · K, einer Gasdichte von 0,83
kg/m3, einer Temperaturdifferenz von 90 K zwischen 105°C
(Austrittstemperatur am Ofen) und 15°C (mittlere
Außentemperatur) und den vorgenannten 80 m3/kg Al ergeben sich rd.
2,5 kwh/kg Al. Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
vermindert sich dieser Wert um rd. 1 kWh/kg Al. Das um 50%
reduzierte Abgasvolumen erlaubt, die Rohrleitungen,
Reinigungsanlage und Exhaustoren für die Ofenabgase entsprechend kleiner
auszulegen.
5. Verminderung des Blasenwiderstandes und des
Anoden-Grenzpotentials
Die Kohlenstoffanode wird durch den elektrolytisch
abgeschiedenen Sauerstoff zu einem Anodengas verbrannt, das neben CO
überwiegend aus CO2 besteht. Dieses Anodengas sammelt sich
dicht unter den Anodenblöcken in Form vieler Bläschen und
wandert in der Elektrolytschmelze zu den Blockrändern, wo es
aufsteigt und entweicht. Die Gasblasen verursachen durch
Verharren unter der rauhen Anodengrenzfläche und Volumverdrängung
des Elektrolyten den sogenannten Blasenwiderstand, der einen
erhöhten Ohm&min;schen Widerstand für den Elektrolysestrom
bedeutet. Erfindungsgemäß wird dieser Blasenwiderstand durch
geneigte Anodenflächen, geringere anodische Stromdichten und
eine Oxidkonzentration von ca. 4 Gew.-% um rd. 0,1 V (rd.
0,3 kwh/kg Al) bezogen auf die Spannungsbilanz der
Elektrolysezelle reduziert. Es ist ferner experimentell erwiesen, daß
der durch Al2O3-Verarmung der Kryolithschmelze auftretende
Anodeneffekt sich an geneigten Anodenflächen bei kleineren
Oxidkonzentrationen und mit niedrigerer Überspannung in der
Ankündigungsphase einstellt als bei horizontalen
Anodenflächen.
6. Verminderung des Anodenverbrauchs bis zu 8% relativ
In diesem Zusammenhang ist zunächst die Frage zu klären, auf
welchen Ausgangswert man die Verminderung des spezifischen
Anodenverbrauchs bezieht, da dieser von einer Reihe Faktoren
abhängt. Ein spezifischer Anodenverbrauch von 0,43 kg C/kg Al
wird als gut angesehen, Spitzenverbräuche von 0,41 kg C/kg Al
werden unter günstigen Bedingungen erreicht. Durch die
konstruktiv bedingte Verminderung der Luftoxidation der
Anodenblöcke des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für den
spezifischen Anodenverbrauch Werte von 0,40 kg C/kg Al
unterschritten.
7. Verminderung der Fluoremission
Das aus den Elektrolysezellen abgesaugte staub- und
fluorhaltige Gas wird heutzutage einer trockenen Abgasreinigung
zugeführt, in der das gasförmige Fluor in Form von HF an
Aluminiumoxid adsorbiert und die Fluor enthaltenden Staubpartikel in
Filteranlagen ausgeschieden werden. Die Fluoremission hängt
nun nicht allein von dem Wirkungsgrad der
Abgasreinigungsanlage ab. Für diverse Bedienungsvorgänge müssen die
Blechgehäuse, mit denen die Elektrolysezellen eingekapselt sind,
teilweise geöffnet werden. Diese Öffnungszeiten lassen eine
zusätzliche Fluoremission entstehen.
Bei den Elektrolysezellen mit vorgebrannten
diskontinuierlichen Anodenblöcken ist es vor allem der meist tägliche
Wechsel eines Anodenblockes. Der herausgenommene
Anodenblockrest raucht relativ stark bis zu einer Abkühlung unter
Glühtemperatur und hinterläßt nach seiner Herausnahme kurzzeitig
einen unbedeckten Fleck des Schmelzflußelektrolyten mit
vermehrter Fluoridverdampfung.
Bei den bekannten Elektrolysezellen mit vorgebrannten
kontinuierlichen Anodenblöcken müssen die längsseitigen Tore des
Gehäuses für das Krustebrechen und Oxidchargieren aufgefahren
werden. Außerdem müssen in einem verhältnismäßig langwierigen
Arbeitsgang in gewissen Zeitabständen bei geöffneten
Seitentoren die Anodenstangen aller Blöcke (vier Stangen pro Block)
von der unteren Nippelreihe gelöst und an die darauffolgende
obere Reihe angeschlagen werden. Die untere Reihe von
Kontaktnippeln wird anschließend gezogen. Die Gasabsaugung ist auch
dann nicht effektiv, wenn eine Lage neuer Anodenblöcke
aufgelegt werden muß.
In Anbetracht der Notwendigkeit eines effizienten
Umweltschutzes werden bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die
beschriebenen Öffnungszeiten des Elektrolyseofengehäuses
vermieden.
Da die Kohlenstoffanoden aufgrund ihres Schwefelgehaltes
Schwefeldioxid entwickeln, das bei hohen Schwefelgehalten der
Anodenblöcke ebenfalls aus dem Abgas entfernt werden muß, ist
für Entschwefelungsmaßnahmen ein geringes Abgasvolumen von
großem Vorteil. Unter Punkt A4 wurde das verminderte
Abgasvolumen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle bereits
erörtert.
8. Verminderung der Verunreinigungen im Hüttenmetall
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle nutzt die Vorteile der
vorgebrannten kontinuierlichen Anode, von der bekannt ist, daß
mit ihr höhere Metallreinheiten erzielt werden können als mit
der vorgebrannten diskontinuierlichen Anode.
Der höhere Verunreinigungsgrad beim letzteren Verfahren ist
größtenteils darauf zurückzuführen, daß die Stahlnippel der
Anodenblöcke in der Elektrolysezelle einer stärkeren Korrosion
unterliegen und daß die Anodenreste mit der dicken Deckschicht
aus Badmaterial und Oxid aufbereitet und recycliert werden
müssen. Der Eisen- und Rostabrieb in den Brech-, Mahl-,
Transport- und Siloausrüstungen der Aufbereitungs- und
Rückführanlagen verursacht beispielsweise einen deutlich
erhöhten Eisengehalt des erzeugten Aluminiums.
In bezug auf das bekannte Anodensystem mit vorgebrannten
kontinuierlichen Anodenblöcken verzichtet das erfindungsgemäße
Verfahren auf korrosionsgefährdete, in den Anodenblock
eingelassene Stahlnippel und erlaubt zeitgemäße Zellenstromstärken
von über 150 kA.
B. Im AnodenbereichKeine unterschiedlichen Spannungsabfälle und Stromstärken in
den einzelnen Anodenblöcken
Ein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle ist ein Anodensystem mit vorgebrannten
kontinuierlichen Anodenblöcken, bevorzugt für Elektrolysezellen mit
einer Gesamtstromstärke über 150 kA. Für die einzelnen
Anodenblöcke dieses Systems sind einheitliche kurze Stromwege
zwischen ihren Stromanschlüssen und dem Elektrolysebad
vorgesehen. Daraus resultiert ein gleichhoher Spannungsabfall und
eine gleichgroße Stromdichte für alle Anodenblöcke.
Die homogene Stromdichteverteilung des erfindungsgemäßen
Anodensystems bedeutet gegenüber einem solchen mit vorgebrannten
diskontinuierlichen Anodenblöcken einen enormen Vorteil im
Hinblick auf einen ruhigen, stetigen Elektrolyseverlauf, eine
hohe Stromausbeute und einen niedrigen spezifischen
Energieverbrauch. In einer Elektrolysezelle mit diskontinuierlichem
Anodensystem befinden sich alle Anodenblöcke in einem
unterschiedlichen Verbrauchszustand, der zwangsläufig eine sehr
große Ungleichmäßigkeit der einzelnen Spannungsabfälle und
Stromstärken in den einzelnen Blöcken nach sich zieht.
Folglich gibt es im diskontinuierlichen Anodensystem stets zwei
Gruppen von Anodenblöcken, von denen die eine in ihrer
Stromaufnahme bzw. Stromdichte unterhalb und die andere oberhalb
der Nennstromstärke liegt. Während einer Anodenblockreise
steigt die Stromstärke im Block von Null beim Einwechseln bis
zu einem Höchstwert beim Herausnehmen des Restes an. Es kommt
erschwerend hinzu, daß nach dem Einwechseln eines neuen
Anodenblockes ein bis zwei Tage vergehen, bevor der Block die
durchschnittliche Betriebstemperatur erreicht hat und voll am
Elektrolysegeschehen teilnimmt. Mit dem Trend zu größeren
Elektrolyse- und Anodenblockeinheiten wachsen die soeben
aufgezeigten Nachteile.
2. Kein laufender Anodenblockwechsel
Es ist allgemein üblich, im Anodensystem mit vorgebrannten
diskontinuierlichen Anodenblöcken täglich einen Anodenblock
auszutauschen, d. h. den Rest eines Anodenblockes (ca. 20-30%
des Anfangsgewichtes) herauszunehmen und durch einen
neuen zu ersetzen. Bei sehr großen Elektrolysezellen mit mehr
als 200 kA Stromstärke können es sogar täglich zwei
Anodenblöcke oder ein Anodenblockpaar sein. Dieser
Anodenblockwechsel stört den Elektrolyseprozeß erheblich und führt zu der
schon erwähnten Ungleichmäßigkeit in der anodischen
Stromdichteverteilung. Die Ergänzung von Anodenblöcken nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren beeinflußt den eigentlichen
Elektrolyseprozeß überhaupt nicht; denn nur etwa einmal monatlich
ist es notwendig, eine neue Lage von Anodenblöcken auf die in
der Elektrolysezelle befindlichen Anodenblockstapel
aufzulegen.
3. Nur eine Anodenblockreihe je Elektrolysezelle
In den modernen hochstromigen oder modernisierten
Elektrolysezellen sind die Anodenblöcke ausnahmslos in zwei Längsreihen
angeordnet. In der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
erstrecken sich die Anodenblöcke über die gesamte Breite der für
die Anode eingeplanten Querschnittsfläche innerhalb der
Elektrolysewanne. Damit entfallen bei den Anodenblöcken des
erfindungsgemäßen Verfahrens zwei stirnseitige Blockflächen entlang
der Mittelgasse, die erfahrungsgemäß einem voreilenden Luft- und
CO2-Abbrand und einer verstärkten Erosion ausgesetzt sind.
4. Kein Anfall von Restanoden
Wie schon teilweise in den vorausgegangenen Punkten
angeschnitten, werden mit dem Fortfall der Anodenblockreste
bedeutende prozeßtechnische Vorteile und betriebliche
Einsparungen erzielt. Zunächst wird das Abtragen der Deckschicht aus
erstarrter Elektrolytschmelze und Aluminiumoxid von den
Restanoden und deren anschließendes Putzen eingespart. Mengenmäßig
macht das abzuräumende, zu zerkleinernde und in die
Elektrolysezellen zu recyclierende Badmaterial ca. 20% der
Anodenblock-Einsatzgewichte aus. Ebenso beträgt das
Restgewicht der die Elektrolysezelle verlassenen Anoden je nach
Betriebsweise 20-30% ihrer Ausgangsgewichte. Es ist leicht
erkennbar, daß dieses innerbetriebliche Recycling der
Anodenreste zu einer permanenten Mehrbelastung der Anodenfabrik in
den drei Hauptverfahrensstufen Aufbereiten, Formen und Brennen
von 20-30% gegenüber einer Grundkapazität des
erfindungsgemäßen Verfahrens führt. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß
die Anodenreste fluorhaltig sind, und deshalb muß, um die
Emissionsauflagen zu erfüllen, dem Anodenblock-Ringbrennofen
eine Abgasreinigung für die fluorbeladenen Brennofenabgase
nachgeschaltet werden.
Zwischen Elektrolyse- und Anodenbetrieb einer Aluminiumhütte
nimmt die sogenannte Anodenanschlägerei die Aufgabe wahr,
einerseits die Restanoden aus der Elektrolyse zu übernehmen, in
einer Lagerhalle abkühlen zu lassen, abzureinigen, die
Anodenreste und Gußhülsen von den Anodenstangen zu trennen und für
den Wiedereinsatz herzurichten. Andererseits werden in der
Anodenanschlägerei die neuen Anodenblöcke über eingegossene
oder eingestampfte Stahlnippel mit den Anodenstangen verbunden
und so für den Elektrolysebetrieb einsatzfertig gemacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt diesen mit zahlreichen
Ausrüstungen und Arbeitsgängen bestückten Hüttenteil
überflüssig werden.
5. Keine Anodenblockvorbereitung
Im Vergleich zu dem bekannten Verfahren mit vorgebrannter
kontinuierlicher Anode müssen in einer Vorbereitungsstation in
die Anodenblöcke Nippellöcher gebohrt und dort hinein mit einer
geeigneten Kohlenstoffmasse die Stromkontaktbolzen aus Stahl
fest eingesetzt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren
werden diese Vorbereitungsarbeiten oder zweckähnliche
Vorkehrungen nicht benötigt, weil die Stromzuführung durch eine
nippellose, noch näher zu beschreibende Kontaktierungsart
bewerkstelligt wird.
Des weiteren erhalten nach dem Stand der Technik die
kontinuierlich verwendeten Anodenblöcke in der Vorbereitungsstation
auf ihrer Unterseite eine Verbindungsschicht aus einer Kleb- oder
Kittmasse, die normalerweise auf Basis von Petrolkoks und
Elektrodenpech hergestellt wird. Die Kittmasse wird im heißen,
fließfähigen Zustand auf die vorgeheizte
Anodenblock-Verbindungsfläche, d. h. auf die nach oben gekehrte
Anodenblock-Unterseite, ca. 2 cm dick aufgetragen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Station zum
Aufbringen der Kittmasse vermieden. Damit entfallen
Installationsraum und Heizenergie zum Vorwärmen der Anodenblöcke und
Schmelzen der Kittmasse.
Die Konstruktion und Betriebsweise der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle gestatten es, die Kittmasse als Granulat auf die
warmen Oberseiten der in der Elektrolysezelle befindlichen
Anodenblöcke aufzutragen, um dann darauf sofort kalte,
vorgewärmte oder gar am besten die vom Brennprozeß her noch warmen
Anodenblöcke aufzulegen. Letztere müssen, wenn notwendig, nur
vom Packmaterial des Brennofens befreit werden, bedürfen aber
sonst keiner speziellen Vorbereitung. Es ist ersichtlich, daß
an dieser Stelle des erfindungsgemäßen Verfahrensganges
Wärmeenergie, Investitionskosten und Arbeitsaufwand gespart werden.
C. Im Kathodenbereich1. Keine Einflüsse des Magnetfeldes auf das Aluminiumbad
Das erfindungsgemäße Anodensystem mit vorgebrannten
kontinuierlichen Anodenblöcken ermöglicht es, daß die elektrolytisch
aktiven, in die Elektrolytschmelze eintauchenden Unterseiten
der Anodenblöcke nicht nur - wie allgemein üblich - in
horizontaler Richtung eben sind, sondern auch keil- oder
bogenförmig sein können. Wenn kein Aluminiumbad mit planer
Oberfläche als wirksame Kathode vorhanden ist, paßt sich der
Anodenblock im Schmelzflußelektrolyten in seiner
Grenzflächenform der Gestalt der gegenüberstehenden Kathodenoberfläche an.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle ist der aus Kohlenstoff -Kathodenblöcken
aufgebaute Boden der Elektrolysezelle entsprechend der Anzahl der
Anodenblöcke dach- oder halbtonnenförmig ausgebildet. Im
Querschnitt betrachtet, haben die Kathodenblöcke beispielsweise
die Form eines Dreiecks, Halbkreises oder ähnlichen
geometrischen Gebildes. Unterhalb der in der Elektrolysezelle
querliegenden und parallel laufenden Kathodenblöcke wird ein
flacher Hohl- oder Sammelraum für das flüssige Aluminium
eingerichtet. Ferner ist zwischen den unteren Kanten der parallel
angeordneten Kathodenblöcke eine Gasse als Verbindung zwischen
dem flachen Bodenraum für das flüssige Aluminium und dem
darüber befindlichen Raum für die Elektrolytschmelze vorgesehen.
Das Aluminium wird durch den Elektrolysestrom auf den
geneigten Flächen der Kathodenblöcke abgeschieden und fließt in den
flachen Bodenraum unterhalb der Kathodenblöcke ab.
Das große Magnetfeldproblem konventioneller, hochstromiger
Elektrolysezellen besteht darin, daß die stromdurchflossene
Schicht aus flüssigem Aluminium auf dem kathodisch
angeschlossenen Kohlenstoffboden mit den Magnetfeldern, von denen alle
Stromleiter innerhalb und außerhalb der Elektrolysezelle
umgeben sind, in Wechselwirkung tritt. Die auf die flüssige
Aluminiumschicht ausgeübten magnetischen Feldkräfte verdrängen
das Aluminium und bewirken eine Metallaufwölbung und
-rotation. Für die Planung, Konstruktion und den Betrieb von
Hochstromzellen, besonders über 100 kA Stromstärke, ist es deshalb
unerläßlich, durch aufwendige Magnetfeldberechnungen und eine
daraus resultierende Positionierung der Stromschienen
sicherzustellen, daß die Metallaufwölbung und -bewegung gering
bleiben und die wirtschaftliche Metallerzeugung in der
Elektrolysezelle überhaupt möglich wird.
In der erfindungsgemaßen Elektrolysezelle wird der
Magnetfeldeffekt dadurch eliminiert, daß der in die Kathode eintretende
Elektrolysestrom nicht ein Aluminiumbad durchqueren muß, weil
sich das Sammelbecken für das flüssige Aluminium außerhalb der
Strompassage, nämlich unterhalb der Kathodenblöcke befindet.
Aus dieser Konzeption ergeben sich fundamentale Vorteile, die
in den folgenden Punkten näher erläutert werden.
2. Freie Wahl der kostengünstigsten Stromschienenführung
Für die Stromschienen im Außenbereich der Elektrolysezellen
wird eine nennenswerte Menge Aluminiumleitmetall investiert,
z. B. in der Größenordnung von 50 t pro 1000 t Jahreskapazität.
Wenn, wie es die Erfindung beabsichtigt, auf eine
Magnetfeldkompensation innerhalb der Elektrolysezelle gemäß
Modellrechnung und Betriebserfahrung keine Rücksicht genommen werden
muß, können für die Stromverbindungen zwischen den in Serie
geschalteten Elektrolysezellen sowie für die auf Anoden- und
Kathodenbalken geführten Stromverteilungen die kürzesten und
rationellsten Wege gewählt werden. Die beispielsweise aus
Gründen der Magnetfeldkompensation im Mittelfeld der
Elektrolysezellen angeordneten Steigleitungen, die allgemein für die
Bedienung der Elektrolysezellen hinderlich sind, können bei
der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ans Ende der Zelle
verlegt werden, wo sie nicht stören. Die freie,
magnetfeldunabhängige Wahl der Stromschienenanordnung erspart
installiertes Leitaluminium bis zu ca. 20%. Außerdem kann mit etwas
niedrigerem Leistungsverlust in der Stromzuleitung gerechnet
werden.
3. Keine Auflösungsgefahr der Kathodeneisen im Aluminium und
längere Lebensdauer der Elektrolysezellen-Zustellung
Konventionell sind die Stahlbarren für die Stromzuführung in
den als Kathode dienenden Kohlenstoffboden an dessen
Unterseite in Nuten der Kohlenstoff -Kathodenblöcke eingelassen. Es
kommt nun häufig vor, daß der Kohlenstoffboden, insbesondere
mit zunehmendem Zellenalter, Risse aufweist, durch die das
darüberstehende dünnflüssige Aluminium bis zu den
Kathodenbarren aus Stahl vordringt und diese durch Legierungsbildung
an- oder auflöst. Eine der häufigsten Ursachen für das
Abschalten und die Außerbetriebnahme der Elektrolysezellen ist
daher das Inlösunggehen von Eisen aus den Kathodenbarren in
das Aluminiumbad.
Erfindungsgemäß wird diese Ausfallursache dadurch umgangen,
daß sich einerseits das Aluminiumbad unterhalb der
Kathodenblöcke befindet (siehe Punkt C1) und andererseits die
Stahlbarren in die Kathodenblöcke von oben her eingebettet werden.
Der die Aluminiumschicht tragende Boden der Elektrolysezelle
wird erfindungsgemäß nicht mit Strom beaufschlagt. Er ist
infolgedessen dem chemischen und mechanischen Verschleiß sowie
der zerstörenden Natriuminfiltration, die erfahrungsgemäß von
einer Volumenexpansion und von Umwandlungsvorgängen begleitet
ist, weit weniger ausgesetzt als der eine Doppelfunktion
ausübende bekannte Kathodenboden. Aus dem erfindungsgemäßen
getrennten Aufbau von Kathode und Zellenboden ergibt sich ferner
eine Verlängerung der Haltbarkeit bzw. der Lebensdauer der
Elektrolysezellenauskleidung. Dieses bedeutet nicht nur eine
Kostenminderung, sondern erleichtert auch das ernste
Entsorgungsproblem der verbrauchten Zellenauskleidungsmaterialien.
Wenn in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
natriumresistente Kathodenblöcke aus Grafit mit hoher Wärmeleitfähigkeit
von 80-100 W/m·K verwendet werden, wird durch sie weniger
Wärme in die Bodenisolierung abgeführt. Die Kathodenblöcke
unterliegen einem geringeren Abrieb, weil auf ihnen die
Metallströmung und eventuell die Schleifwirkung von
Aluminiumoxidschlamm fehlen. Der Spannungsabfall in den Kathodenblöcken
und ihren Zuleitungen fällt außerdem deutlich niedriger aus.
In den vorausgegangenen Abschnitten A, B und C wurden die
charakteristischen Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
gegenüber bekannten Merkmalen verschiedener Elektrolysezellentypen
mit vorgebrannten Anodenblöcken umrissen. Wie bereits punktuell
erwähnt, wird zur prinzipiellen Lösung der Detailaufgaben im
Rahmen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ein kontinuierlich
betriebenes Anodensystem benötigt. Konzeptionell ist ein
kontinuierliches Anodensystem mit vorgebrannten Kohlenstoffblöcken
bekannt, dessen Funktionsweise und technischer Stand in folgenden
Veröffentlichungen dargelegt wird:
(6) G. Lange und G. Wilde: Large Aluminium Cells with Continuous
Prebaked Anodes, Extractive Metallurgy of Aluminium, Vol. 2,
Edited by G. Gerrads, Interscience Publishers, New York,
1962, S. 197-209;
(7) H. Ginsberg und S. Wilkening: Beitrag zur thermodynamischen
und energetischen Betrachtung der Schmelzflußelektrolyse
des Aluminiums, Teil II, Metall, 18 Jg (1964) H. 9, S. 908-918;
(8) K. Winnacker/L. Küchler: Chemische Technologie, Band 6
Metallurgie, S. 194, Carl Hanser Verlag, München, 1973.
Das in der vorstehend zitierten Literatur beschriebene
Anodensystem ist für die erfindungsgemäß angestrebten Hauptziele eines
extrem niedrigen Energieverbrauchs, einer äußerst geringen
Umweltbelastung, eines hohen Automatisierungsgrades und einer
Humanisierung bzw. Eliminierung körperlich und gesundheitlich
belastender Arbeitsgänge nicht brauchbar. Die Gründe liegen in
erster Linie darin, daß die vorgebrannten Anodenblöcke des
bekannten kontinuierlichen Anodensystems seitlich eingesetzte
Kontaktnippel mit lösbaren Anodenstangen aufweisen. Das Umhängen und
Neuanschlagen der Anodenstangen sowie das Ziehen der
Kontaktnippel erfolgt mit einem erheblichen manuellen Arbeitsaufwand.
Der Seitenraum der Elektrolysezelle ist für diese Manipulationen
belegt und kann nicht für andere Einrichtungen, z. B. automatische
Oxidzuführungsvorrichtungen, genutzt werden. Die Seitentore der
Elektrolysezelle müssen für die Bedienungsvorgänge geöffnet
werden. Hinzu kommt, daß die Stromeinleitung in die Anodenblöcke
über die stirnseitig und in relativ hohen Stufen angeordneten
Kontaktnippel zu langen Stromwegen in den Anodenblöcken führt.
Die langen Stromwege haben einen erhöhten Spannungsabfall in der
Anode zur Folge, der im Durchschnitt um fast 0,5 V höher liegt
als in diskontinuierlich verwendeten Anodenblöcken. Für
Elektrolysezellen mit Stromstärken von 180 kA und darüber müßten die
Anodenblöcke sogar noch um etwa ein Drittel länger sein als
bisher gebräuchlich, so daß sich dadurch die Spannungsdifferenz in
den Anodenblöcken zwischen Stromeintritt und -austritt noch
wesentlich verschlechtern würde.
In der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle werden zwar ebenfalls
großformatige Kohlenstoffblöcke verwendet; jedoch geht deren
Länge über das bisher bekannte Maß wesentlich hinaus und ihre
Fabrikation ist besonders rationell und zukunftsorientiert. Ihnen wird
der Elektrolysestrom nicht wie bekannt über in Löcher eingesetzte
Stahl-Kontaktbolzen zugeführt, sondern praktisch stufenlos
versetzbar über eine Packung zusammengepreßter Grafitkörnung entlang
beider Längsseiten der einzelnen Anodenblöcke. Nach bekannter
Verfahrensweise werden die periodisch aufeinandergestellten
Anodenblöcke miteinander durch eine vorher auf die Unterseite des
Oberblockes aufgetragene, verkokbare Kleb- oder Kittmasse
verbunden. Erfindungsgemäß wird die erforderliche Menge Kittmasse und
somit die Dicke der Klebschicht von etwa 1-2 cm auf die Hälfte
reduziert. Außerdem wird, wie schon dargelegt, die Kittmasse in
Form eines Granulats vor Ort in der Elektrolysezelle aufgebracht,
um ca. 200-250°C warme Anodenblöcke auflegen zu können. Wie aus
der noch folgenden Beschreibung erkennbar wird, werden auch die
Verkokungsbedingungen der Kittschicht zur Erreichung einer
höheren Dichte und Festigkeit signifikant verbessert.
In der europäischen Patentanmeldung EP-A 03 80 300 wurde eine
Elektrolysezelle mit kontinuierlicher Anode vorgeschlagen. Dieser
Vorschlag unterscheidet sich von der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle grundlegend dadurch, daß die Stromzuführung zu den
Anodenblöcken unmittelbar über ebenflächige, steife
Klemmvorrichtungen mit horizontaler Anpressung und nicht über
zusammengepreßte, bindemittelfreie Grafit- oder Kokskornpackungen erfolgt.
Außerdem weist der Vorschlag nach EP-A 03 80 300 wesentlich
andere Merkmale bezüglich Anordnung, Halterung und Nachsetzen der
Anodenblockstapel auf.
Die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
sind in den Fig. 1-8 schematisch dargestellt. Die
vereinfachten Darstellungen sind als Ausführungsbeispiele aufzufassen.
Fig. 1 zeigt aus der im Längsschnitt dargestellten
Elektrolysezelle einen Ausschnitt aus dem Mittelteil, und zwar mit der noch
konventionellen ebenen Kathode und Anode.
Fig. 2 stellt einen ähnlichen Teilbereich wie in Fig. 1 dar,
jedoch mit neuartiger oberflächenvergrößernder Gestaltung der
Kathode.
Fig. 3 gleicht im Zeichnungsschnitt den Fig. 1 und 2, jedoch mit
Winkelverhältnissen von 60° in der Gegenüberstellung von Anode
und Kathode.
Fig. 4 bezieht sich auf den anodischen Teil der Elektrolysezelle
und ist ein Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie C-D in Fig. 3, und zwar nur
bis zur Symmetrieachse der Zelle. Aus Fig. 5 ist insbesondere die
Seitenpartie der Elektrolysezelle zu erkennen.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die Elektrolysezelle, jedoch ohne
die stirnseitigen Ofenköpfe mit den Tragkonstruktionen und
Hubvorrichtungen.
Fig. 7 ist ein vergrößert herausgezeichneter Teilbereich aus der
Draufsicht in Fig. 7.
In Fig. 8 ist die Elektrolysezelle gemäß Fig. 3 und Schnitt EF
unter Fortlassung verschiedener Einzelheiten im Gesamtquerschnitt
skizziert.
Die wichtigsten Maßnahmen, die zur Realisierung der
erfindungsgemäßen Ziele getroffen wurden, lassen sich mit größtem
Erfassungsgrad an Hand des Schnittbildes in Fig. 3 beschreiben.
Die Anodenblöcke 1 und 2 erstrecken sich in durchgehender Länge
quer zur Elektrolysezellenachse und sind durch die Kittschicht 3
miteinander verbunden. In der Gasse 4 zwischen zwei benachbarten
Anodenblockpaketen ist ein Querverbinder 10 aus Flachstahl mit
Fußsteg 11 angeordnet. Der Spalt zwischen dem Querverbinder 10
und der Anodenblocklängsseite ist mit einer groben Grafitkörnung
13 ausgefüllt, die durch den Preßriegel 12 aus Stahl
zusammengedrückt wird.
Die Stromzuführungsvorrichtung besteht somit aus den
Konstruktionselementen 10, 11 und 12 sowie der zusammengepreßten
Grafitkörnung 13. Anstelle der Elektrografitkörner können auch
Kornfraktionen aus Petrolkoks, Pechkoks oder gebrochenen
Anodenblockresten verwendet werden; doch diese Kohlenstoffmaterialien
ergeben einen 3- bis 6fach höheren spezifischen elektrischen
Widerstand. Verwendbar ist ferner ein granulares Mischgut aus
Elektrografit und Koks. Die härteren Kokskörner erhöhen die Reibung
zwischen Kornpackung und Anodenblock und können aus diesem Grunde
u. U. notwendig sein, um ein Durchrutschen der Anodenblockpakete
zu verhindern. Mit der beschriebenen Kontaktvorrichtung wird dem
Anodenblock 1 bzw. 2 beidseitig über seine gesamte Länge der
Elektrolysestrom mit niedrigem Spannungsgefälle zugeführt. Ferner
verschließt sie die Gasse 4 über ihre gesamte Länge, so daß durch
die Gasse 4 von unten nach oben keine Elektrolytdämpfe und
Anodengase austreten können. Andererseits werden die unteren
heißeren Seitenflächen der Anodenblöcke gegen einen Luftzutritt- und
-abbrand von oben her geschützt. Der spezifische Preßdruck auf
die Grafitkörnung liegt in der Größenordnung von 150-300 N/cm2
Für den Fußsteg 11, der unterseitig erhöhten Temperaturen und
verstärkter Korrosion ausgesetzt ist, wird eine möglichst hitze- und
korrosionsbeständige Stahl- oder andere Metall-Legierung
verwendet; zumal aus Gründen kurzer Stromwege und niedriger
Spannungsabfälle bzw. niedriger Leistungsverluste angestrebt
wird, die Position der Stromzuführungsvorrichtung möglichst nahe
an die Badkruste 6 heranzubringen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle weist der Querverbinder 10 zum Fußsteg 11 hin eine
geringfügige, trapezförmige Erweiterung auf. Auf diese Weise wird
die seitliche Anpressung der Granulatpackung 13 an den
Anodenblock, bei gleichbleibender senkrechter Preßkraft auf das
Granulat, verstärkt.
Das mit den Kennziffern 1 und 2 bezeichnete Anodenblockpaket
taucht in das Elektrolysebad bzw. in die Elektrolytschmelze 5
ein, wobei der eintauchende, elektrolytisch aktive Teil des
Anodenpakets eine ähnliche Oberflächenform annimmt wie die
gegenüberstehende Kathode. In Fig. 1 bildet das Aluminiumbad eine
horizontale, ebene Kathodenfläche. Die Fig. 2 und 3 zeigen
Ausführungsbeispiele mit vergrößerter Aktivfläche der Anodenblöcke
und niedrigerer Stromdichte im Schmelzflußelektrolyten 5. In Fig.
2 sind innerhalb des Elektrolysebades Anodenquerschnittsprofile
mit einer Spitze von 90° und einem entsprechenden Böschungswinkel
von 45° vorgesehen. In Fig. 3 betragen diese Winkel 60°. Daraus
ergibt für das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 im Vergleich zu Fig.
1 eine Stromdichteverminderung im Elektrolyten um den
Faktor √2 = 1,4 und für das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 um den
Faktor 2. Das Bad des Schmelzflußelektrolyten ist im Beispiel
nach Fig. 2 um 20-25 cm, im Beispiel nach Fig. 3 um 40-45 cm
tiefer als im Falle einer ebenen, bekannten Kathode nach Fig. 1.
Während nach Fig. 1 die Schicht 7 aus flüssigem Aluminium auf den
Kathodenblöcken 20 steht, befindet sie sich nach Fig. 2 und 3
unterhalb der Kathodenblöcke 14 bzw. 18 auf dem carbokeramischen
Boden 8. Unterhalb der Kathodenblöcke 20 in Fig. 1 bzw. unterhalb
des Bodens 8 in Fig. 2 und 3 schließt sich Wärmeisolierung 9 an.
Die Kathodenblöcke 14 und 18 in den Fig. 3 bzw. 2 haben
dreieckige Querschnitte mit den in den Zeichnungen angegebenen
Winkeln. In bezug auf Fig. 3 ist in den Kathodenblock 14 mit dem
Profilquerschnitt eines gleichseitigen Dreiecks von oben hinein
eine rechteckige Längsnut 16 eingeformt oder eingearbeitet, in
die ein Stahlbarren 15, in Fachkreisen auch Kathodeneisen
genannt, für die Stromableitung eingebettet ist. Das Einbetten des
Kathodeneisens 15 in die Nut erfolgt entweder durch Eingießen von
Gußeisen oder auch durch Einstampfen einer elektrisch gut
leitenden Kohlenstoffmasse. Der Nutraum oberhalb des Kathodeneisens 15
ist mit einer sich durch Verkokung des Bindemittels
verfestigenden Stampfmasse auf Kohlenstoff- bzw. Grafitbasis ausgefüllt. Die
Kathodenblöcke 14, 18 bzw. 20 bestehen an sich aus den
marktüblichen Elektrodenrohstoffen für dieses Produkt, doch es wird ein
Zusatz von refraktären Carbiden, Nitriden oder Boriden zu den
Kohlenstoffmaterialien bevorzugt. Aus Fig. 3 und 2 ist
ersichtlich, daß die Kathodenblöcke 14 bzw. 18 ringsum mit
Elektrolytschmelze umgeben sind. Die im Kathodenblock 14, im
Kathodeneisen 15 und in den Übergängen erzeugte Widerstandswärme verbleibt
ausschließlich im Elektrolyseraum. Hinzu kommt, daß die
Spannungsabfälle zwischen den aktiven geneigten Kathodenflächen und
dem stromableitenden Kathodeneisen wegen günstiger
Stromverteilung und kurzer Stromwege niedriger sind als in konventionellen
Kathodenkonstruktionen, wie beispielsweise nach Ausführungsart in
Fig. 1, so daß für den Elektrolyseprozeß in der Summe rd.
0,5 kWh/kg Al eingespart werden.
Das auf den geneigten Kathodenflächen abgeschiedene Aluminium
fließt in das unterhalb der Kathodenblöcke befindliche
Aluminiumbad 7 ab. Letzteres ist vom Stromdurchfluß nicht betroffen, so daß
in diesem auch keine elektrodynamischen Kräfte durch
Wechselwirkung mit den starken Magnetfeldern hervorgerufen werden können.
Außerdem kann das Aluminium im Sammelbecken unter den Kathoden
nicht mit seiner auflösenden Wirkung an die Kathodeneisen 15
bzw. 19 gelangen.
Die in Fig. 2 und 3 mit 8 bezeichnete kohlenstoffhaltige
Auskleidung hat die Aufgabe, die Wärmeisolierung 9 vor dem Eindringen
von Aluminium und Bestandteilen der Elektrolytschmelze 5 zu
schützen. Da von der Auskleidungsschicht 8 keine elektrische
Leitfähigkeit verlangt wird, können für sie vorteilhaft dichte
Composites aus Kohlenstoff, Oxiden und Carbiden eingesetzt werden, die
eine größere Dichtheit und Wärmedämmung gewährleisten.
Die feuerfeste Zustellung mit den Schichten 8 und 9 bietet einen
besseren, konstanteren Wärmeschutz und eine höhere Lebensdauer
als die nach der bekannten Kombination aus stromdurchflossenem
Kohlenstoffboden und darunter eingebauter Wärmeisolierung.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt (siehe Schnittlinie AB in Fig. 3)
durch den Preßriegel 12 und die Grafitkornpackung 13. Der
Preßriegel 12 besitzt beidseitig die Vertikalstreben 22, an deren
oberen Enden Laschen 23 mit Loch, die über die Anodenbalken 33
hinausragen, angebracht sind. Das Konstruktionsteil aus
Preßriegel 12, Vertikalstrebe 22 und Lasche 23 wird in der weiteren
Beschreibung als Spannbügel 24 bezeichnet. Die Druck- und
Zugbeaufschlagung des Spannbügels 24 wird von einem Spindelbock 25
ausgeübt, der auf dem Anodenbalken 33 montiert ist. Der
Spindelbock 25 enthält die Spindel 26, die durch den Aufsteckvierkant 27
betätigt bzw. gedreht werden kann. Auf der Spindel 26 sitzt die
zylindrische Mutter 29 mit Lochlasche 30. Die Gleitbuchse 28
dient zur präzisen Führung der Zylindermutter 29 und weist einen
Längsschlitz auf, in dem sich die Lochlasche 30 beim Drehen der
Spindel 26 auf- bzw. abbewegt. Die Lasche 23 des Spannbügels 24
und die Lasche 30 der Zylindermutter 29 sind durch den Bolzen 31
miteinander verbunden (siehe hierzu auch Fig. 7). Durch
gleichzeitiges Betätigen der linken und rechten Spindel 26, z. B.
mittels eines Schlagschraubers, wird der Spannbügel 24 bzw. die
Grafitkornpackung 13 unter Druck gesetzt. Nach Druckentlastung und
Ziehen der Verbindungsbolzen 31 kann jeder Spannbügel 24 einzeln
entfernt werden. Auch jedes Anodenblockpaket kann während des
Zellenbetriebes zu jedem beliebigen Zeitpunkt, z. B. bei
Störungen, nach Entlastung der Spannbügel 24 herausgehoben werden.
Soll Grafitkörnung 13 in den schmalen Raum zwischen Querverbinder
10 und Anodenblock 1 bzw. 2 nachgefüllt werden, wird der
Preßriegel 12 bis über die Oberkante des Querverbinders 10 hochgefahren.
Es besteht dann die Möglichkeit, von oben her in die Gasse 4 über
eine Rohrlanze Grafitkörnung in das Kontaktband nachzuspeisen.
Das Nachfüllen von Grafitkörnung 13 geschieht nach Bedarf und
wird mit dem Versetzen der Anodenpakete zu einem Arbeitsgang
verbunden.
Aus Fig. 4 geht des weiteren die Seiteneinfassung der
Anodenblöcke hervor. Im oberen Bereich besteht die Seitenbegrenzung aus
dem Anodenbalken 33, im unteren Bereich aus der Anodenzarge 34,
die sich zusammensetzt aus der Rahmenwand 35 und der Konsole 36.
Anodenbalken 33 und Konsole 36 sind miteinander elektrisch gut
leitend verschraubt. Zur Versteifung der Anodenzarge 34 sind
darin in Abständen die Knotenbleche 37 eingeschweißt. An der
Innenseite der Rahmenwand 35 sind die Querverbinder 10 befestigt.
Hierfür wird ebenfalls eine lösbare Verbindung mittels
Steckschrauben bevorzugt.
Der Elektrolysestrom nimmt seinen Weg von dem Anodenbalken 33 aus
Aluminium über die dickwandige Anodenzarge 34 aus Stahl zu den
Querverbindern 10, und von dort über die Grafitkornpackungen 13
in die Anodenblockpakete. Ein kleinerer Teilstrom kann
unmittelbar vom Anodenbalken 33 zum Querverbinder 10 über die
Führungsleiste 32 fließen, die am unteren Ende am Querverbinder 10
angeschweißt und im oberen Teil am Anodenbalken angeschraubt ist (s.
hierzu Fig. 7 und 8). Auch der Spannbügel 24 kann Strom vom
Anodenbalken 33 auf die Grafitkornpackung 13 übertragen.
Die als Schnittbild in Fig. 5 dargestellte Seitenpartie der
Elektrolysezelle zeigt in skizzenhafter Vereinfachung die
Chargiervorrichtung für Aluminiumoxid. Die in Fig. 5 skizzierte Brech- und
Dosiervorrichtung soll in erster Linie das erfindungsgemäße
Prinzip verdeutlichen. Der Brechstößel 43, der die Deckkruste 6
durchbricht und ein Loch für die Aluminiumoxidzufuhr schlägt,
erhält seinen Stoßschub von einem pneumatischen Zylinder 44, der
an dem ortsfesten Stahlkasten 38 angebracht ist. Der Stahlkasten
38 überspannt die gesamte Länge der Elektrolysezelle, ruht an den
Enden auf zwei Stützkonstruktionen und dient als Vorrats- und
Beschickungsbehälter für das Aluminiumoxid 40. In abgeteilten
Kammern (nicht dargestellt) kann der Stahlkasten 38 auch
Schmelzmittel, wie z. B. Aluminiumfluorid, aufnehmen. Am unteren Ende des
Stahlkastens 38 ist die Austragsklappe 41 für das Aluminiumoxid
installiert. Beim Betätigen der Kippwelle 42 läuft das
Aluminiumoxid aus der Austragsklappe 41 aus, wobei gleichzeitig der Zulauf
von Aluminiumoxid aus dem Stahlkasten 38 unterbunden wird.
Häufigkeit und Menge der Oxiddosierung erfolgt in fernbedienter,
automatischer Weise.
Es sei angemerkt, daß anstelle eines stationären Brechwerkzeuges
auch mobile Brechzylinder mit Brechmeißel vorgesehen werden
können, die entlang der gesamten Seitenfront verfahrbar sind und in
beliebiger, computergesteuerter Position den Brechvorgang ausüben
können. Eine andere Variante, die gesamte Seitenfront zu bedienen
und mit Aluminiumoxid zu speisen, besteht in einem durchgehenden
Brechschwert mit Brechdornen.
Der Stahlkasten 38 wird über den Rohrstutzen 39, der auch
Bestandteil eines Oxidverteilungssystems sein kann, mit
Aluminiumoxid 40 gefüllt. Der Seitenraum der Elektrolysezelle ist nach
außen durch die einhängbaren Blechtore 45 aus Aluminium
verkleidet. An der Stirnseite ist die Elektrolysezelle durch ähnliche
Aluminiumblechtafeln 47 (siehe Fig. 6) zum Außenraum hin
abgeschirmt. Oben ist der gesamte Anodenraum durch die
Horizontaltore 46 abgedeckt.
Das untere rechte Feld der Fig. 5 veranschaulicht einen
Ausschnitt der Wannenzustellung der Elektrolysezelle. Die
Stahlwand 50 der Elektrolysewanne wird durch eine kryolith- und
aluminiumresistente Randplatte 51 geschützt. Vor der Randplatte 51 hat
sich eine dicke Kruste 52 aus aluminiumoxidreicher erstarrter
Elektrolytschmelze als wirksamer Frontschutz gegen das
Elektrolysebad 5 gebildet.
Anhand der Draufsicht auf die Elektrolysezelle in Fig. 6 läßt
sich erklären, wie das Anodenabgas aus der Elektrolysezelle
abgesaugt wird. An den Stirnenden der Elektrolysezelle befinden sich
im dichten Anschluß an die Anodenblöcke 1 zwei nach unten
U-förmig offene und nach oben durch das Abdeckblech 28 verschlossene
Hohlkästen. Aus dem Abdeckblech 48 führt ein Kanalanschluß 49 zur
Abgasleitung. Am Hohlkasten unterhalb des Abdeckbleches 48 hängen
die als Tore abnehmbaren Blechtafeln 47. Aus den Fig. 5 und 6 ist
zu ersehen, daß der Oberbau der Elektrolysezelle als dicht
gekapselt gelten und unter normalen Betriebsbedingungen kein Staub und
Abgas in die Umgebung entweichen kann. Fig. 7 verdeutlicht noch
einmal, wie die Oberkonstruktion der Elektrolysezelle, d. h. die
Anordnung und Stromzuführung der Anoden dazu eingesetzt wird, die
anodenbelegte Oberfläche des Elektrolysebades nach oben
abzudichten. Darüber hinaus können zur weiteren Sicherheit der
Abgaserfassung oberhalb des Anodenfeldes die horizontal verfahrbaren
Blechtore 46 vorgesehen werden. Die den Anodenoberbau tragende
Stützkonstruktion an den Enden der Elektrolysezelle ist nicht
eingezeichnet.
Einige noch verbleibende Details aus dem Kathodenbereich seien
am Gesamtquerschnittsbild in Fig. 8 erläutert (Schnitt EF in
Fig. 3). Der Kathodenblock 14 mit dem darin eingebetteten
Stahlbarren 15 ruht auf den mittig und seitlich angeordneten Sockeln
53 bzw. 54 aus Kohlenstoff oder Grafit. Vor den Seitensockeln 54
bildet sich die Bodeneckkruste 55 aus. Die Randfuge zwischen
Kathodenblock 14 und Randplatte 51 ist mit einer
kohlenstoffhaltigen Masse 56 ausgestampft.
Der interpolare Abstand zwischen Anode und Kathode wird in an
sich bekannter Weise nach Vorgabe der Zellenspannung durch
Betätigen der Hubspindeln eingestellt bzw. geregelt, an denen die
kastenförmige Einheit aus Anodenbalken 33 und Anodenzarge 34
aufgehängt ist. Entsprechend dem Verbrauch der Kohlenstoffanode muß
in bestimmten Perioden die Einheit aus Anodenbalken und
Anodenzarge gegenüber den Anodenblockpaketen gehoben werden. Das
Niederfahren und Wiederhochsetzen der Anodenzarge spielt sich in
Grenzen von 10-20 cm ab. Um diese vertikale Relativverschiebung
zwischen den Anodenblöcken und der sie tragenden Anodenzarge zu
bewerkstelligen, wird eine Hilfsbrücke verwendet, an der die
Anodenblockpakete vorübergehend aufgehängt werden. Die Hilfsbrücke
verfügt über senkrecht angeordnete Haltearme, die beim oder nach
dem Aufsetzen der Hilfsbrücke in die rechteckigen Vertikalnuten
60 (siehe Fig. 6 und 7) der Anodenblöcke 1 bis ca. 20 cm oberhalb
des Elektrolysebades abgesenkt werden. Der Haltearm setzt sich
zusammen aus einem feststehenden U-Profil, dessen unteres Ende
keilförmig angeschrägt ist, und einer darin verschiebbaren,
rechteckigen Stange, die an ihrem unteren Ende einen Keilschuh
besitzt, der sich an die angeschrägten Schenkel des U-Profils
anschmiegt. Durch hydraulisch bewirktes Hochziehen der
Rechteckstange wird der Haltearm am unteren Ende in der Anodennut 60
verspannt. Eine Rückenzahnung sowohl auf dem Keilschuh an der
Rechteckstange als auch auf dem unteren Ende des U-Profils sorgt für
einen rutschfesten Sitz des Haltearms in der Anodennut 60. Sodann
werden alle Spannbügel 24, von denen die Grafitkörnung angepreßt
wird, mittels der Spindelböcke 25 gelöst, und unter schleifendem
Stromkontakt wird der Verbund aus Anodenbalken und Anodenzarge
ein Stück angehoben. Anschließend werden wieder die Spannbügel 24
angezogen, die Haltelanzen der Hilfsbrücke gelöst und die
Hilfsbrücke von einem Laufkran abgenommen und entfernt. Um das
Versetzen der Anodenzarge aus Gründen kurzer Stromwege und
Energieersparnis in möglichst kleinen Schritten, d. h. recht häufig, zu
vollziehen, kann es sich empfehlen, das Lösen und Anziehen der
Spannbügel 24 zu automatisieren. Das kann beispielsweise dadurch
geschehen, daß alle Spindeln 26 über geeignete Antriebsräder und
Kupplungen an eine gemeinsame motorangetriebene Welle mit Links-
und Rechtslauf angeschlossen werden. Ein Schwengel mit ähnlichen
Haltearmen wie oben beschrieben wird verwendet, um bei Störfällen
gegebenenfalls einzelne Anodenblockpakete herausheben zu können.
Wie dargelegt, enthält die erfindungsgemäße Elektrolysezelle
verschiedene Einzelneuerungen, die in ihrer sinnvollen Integration
einen maximalen Fortschritt zeitigen sollen. Das soll nicht
ausschließen, partikuläre Neuerungen für sich allein vorteilhaft zu
nutzen.
Liste der Bezeichnungen
1 = Oberer Anodenblock
2 = Unterer Anodenblock
3 = Kittschicht
4 = Gasse zwischen den Anodenblöcken
5 = Elektrolytschmelze
6 = Badkruste
7 = Aluminiumbad, Al-Schicht
8 = Carbokeramischer Boden unter Al-Bad
9 = Boden-Wärmeisolierung
10 = Querverbinder zwischen Anodenblöcken in der Gasse 4
11 = Fußsteg des Querverbinders
12 = Preßriegel auf der Grafitkörnung
13 = Grafitkornpackung
14 = Kathodenblock, gleichs. Dreiecksprofil, 60°
15 = Kathodeneisen in 60°-Kathodenblock
16 = Nut im Kathodenblock für Kathodeneisen
17 = Kohlenstoff-Stampfmasse über Kathodeneisen
18 = Kathodenblock, Winkel 90° und 45° (Fig. 2)
19 = Kathodeneisen in Kathodenblock 90/45° (Fig. 2)
20 = Kathodenboden (in Fig. 1)
21 = Kathodeneisen
22 = Vertikalstrebe des Spannbügels
23 = Lasche mit Loch am Spannbügel bzw. an der Vertikalstrebe 22
24 = Spannbügel für Grafitkornpackung
25 = Spindelblock
26 = Spindel im Spindelblock 25
27 = Aufsteckvierkant an Spindel 26
28 = Gleit-, Führungsbuchse des Spindelbocks 25
29 = Zylindermutter auf Spindel 26
30 = Lochlasche an der Zylindermutter 29
31 = Verbindungsbolzen zwischen Lasche 23 und Lasche 30
32 = Vierkant-Vertikalführungsleiste auf dem Querverbinder 10 an der Anodenzarge
33 = Anodenbalken
34 = Anodenzarge
35 = Rahmenwand
36 = Konsole für Anodenbalken
37 = Knotenblech zur Versteifung
38 = Aluminiumoxidkasten
39 = Einfüllstützen für Aluminiumoxid
40 = Aluminiumoxid
41 = Austragklappe für Al&sub2;O&sub3;
42 = Kippwelle für Aluminiumoxidklappe
43 = Brechstößel
44 = Pneumatischer Zylinder
45 = Seiten-Einhängetore
46 = Verfahrbare Horizontaltore über dem Anodenraum
47 = Einhängetafeln an den Stirnseiten der Elektrolysezelle
48 = Abdeckblech über den Stirnenden
49 = Gasabsaugkanal (Anschluß)
50 = Wand der Stahlwanne
51 = Bord- bzw. Randplatte
52 = Randkruste
53 = Mittiger Sockel unter dem Kathodenblock
54 = Seitensockel unter dem Kathodenblock
55 = Bodeneckkruste vor dem Seitensockel 54
56 = Kohlenstoffhaltige Masse in der Fuge zwischen Kathodenblock und Randplatte
60 = Rechteckige Vertikalnut in den Anodenblöcken an den Stirnenden
Anspruch[de]
1. Elektrolysezelle zur schmelzflußelektrolytischen Gewinnung
von Aluminium mit einem kontinuierlichen Anodensystem unter
Einsatz von vorgebrannten Anodenblöcken (1, 2), dadurch
gekennzeichnet, daß
a) an den Längsseiten der Anodenblöcke (1, 2) Packungen
(13) eines zusammengepreßten Granulates aus
kohlenstoffhaltigem Material angeordnet sind, wobei diese
Packungen (13) zur Befestigung und Stromzuführung
dienen,
und/oder
b) die Kathodenblöcke (14, 18) einzeln im Abstand
voneinander und im Abstand von der Zustellung des
Zellenbodens angeordnet sind, wobei unterhalb der
Kathodenblöcke (14, 18) ein Sammelbecken für das abgeschiedene
Aluminium (7) gebildet wird.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Granulatpackungen (13) beidseitig über die
gesamte Länge der einzelnen Anodenblöcke (1, 2) erstrecken.
3. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Granulat ein grobkörniges,
bindemittelfreies Material bestehend aus Grafit,
Elektrografit, Koks, Petrolkoks, Pechkoks, Anodenblockresten oder
Mischungen dieser Stoffe verwendet wird.
4. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in der zwischen je zwei
benachbarten Anodenblockpaketen liegendenden Gasse (4) je ein
Querverbinder (10) mit einem Fußsteg (11) angeordnet ist,
wobei die Spalten zwischen Querverbinder (10) und den
Anodenblocklängsseiten mit dem Granulat gefüllt sind und
das Granulat durch den Preßriegel (12) zusammengedrückt
wird.
5. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Preßdruck auf
das Granulat 150 bis 300 N/cm2 beträgt.
6. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des
Querverbinders (10) zum Fußsteg (11) hin trapezförmig erweitert.
7. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des Preßriegels
(12) über einen Spindelbock (25) erfolgt, der auf dem
Anodenbalken (33) angeordnet ist, wobei jeder Preßriegel
(12) einzeln betätigt werden kann.
8. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenblöcke (1, 2) an
beiden Stirnseiten je eine senkrecht verlaufende, u-förmige
Nut (60) aufweisen.
9. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Querverbinder (10) mit dem
Anodenbalken (33) und einer Anodenzarge (34) zu einem
starren Gesamtanodenrahmen verbunden sind.
10. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die von den Anoden überdeckte
Badfläche der Elektrolysezelle durch den Gesamtanodenrahmen
nach oben hin weitgehend gasdicht abgeschirmt ist.
11. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle vollständig durch
Blechtore eingekapselt ist, wobei die Längs- und Stirnseiten
durch einhängbare Tore (45, 47) abgeschirmt werden und der
gesamte Anodenraum oben durch Horizontaltore (46) abgedeckt
ist.
12. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Zelle
Kanäle (49) zur Absaugung der Abgase angeordnet sind.
13. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Längsseiten der Zelle
(bzw. Stirnseiten der Anoden) innerhalb der Ofenkapselung
automatische Chargiervorrichtungen für Aluminiumoxid
stationär oder mobil angeordnet sind.
14. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenblöcke dach- oder
halbtonnenförmig ausgebildet sind und deren Unterseiten in
einer Ebene oberhalb der Zellbodenzustellung angeordnet
sind, wobei zwischen den nebeneinanderliegenden
Kathodenblöcken Spalte verbleiben, durch die das abgeschiedene
Aluminium (7) in den Sammelraum unterhalb der Kathodenblöcke
abfließen kann.
15. Elektrolysezelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathodenblöcke (14, 18) einen annähernd dreieckigen
Querschnitt aufweisen.
16. Elektrolysezelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Böschungswinkel der Kathodenblöcke mindestens 450
beträgt.
17. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Kathodenblocks eine
Längsnut (16) angeordnet ist, in die ein Kathodeneisen (15)
eingebettet ist.
18. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kathodenblöcke (14 bzw. 18) auf
Sockeln (53, 54) abgestützt sind.
19. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Unterseite der Anoden entsprechend
der Form der gegenüberstehenden Kathodenblöcke ausgebildet
ist.
20. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Boden-Wärmeisolierung
(9) der Zelle eine kryolith- und aluminiumresistente Schicht
(8) angeordnet ist, die aus Composites aus Kohlenstoff,
Oxiden und/oder Carbiden, wie z. B. carbokeramischen Steinen
besteht.
21. Verfahren zur Gewinnung von Aluminium unter Verwendung einer
Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Verkleben der nachgesetzten
Anodenblöcke mit den in der Elektrolysezelle befindlichen
Anodenblöcken eine Kittmasse in körniger Form auf die warmen
Oberseiten der in der Elektrolysezelle befindlichen
Anodenblöcke aufgetragen wird und anschließend die neuen
Anodenblöcke aufgesetzt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der Kittschicht zwischen 1 und 2 cm beträgt.