DE1115467B

DE1115467B - Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse

Info

Publication number: DE1115467B
Application number: DEM42236A
Authority: DE
Inventors: Alberto Vajna De Pava
Original assignee: Montecatini Societa Generale per lIndustria Mineraria e Chimica SpA
Current assignee: Montedison SpA
Priority date: 1958-07-24
Filing date: 1959-07-24
Publication date: 1961-10-19
Also published as: ES251007A1; CH378046A; FR1230964A; US3067124A; GB922189A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

M42236VIa/40c

ANMELDETAG: 24. JULI 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 19. OKTOBER 1961

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein neuer Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse von Aluminiumoxyd.

»Einzellenöfen«, die bei der Reduktion von Aluminiumoxyd im Kryolithschmelzbad allgemein üblich sind, bestehen im wesentlichen aus einer Wanne aus geeignetem kohlenstoffhaltigem Material, wobei die Wanne durch eine breit ausgebildete, horizontale, den Innenboden der Wanne darstellende Fläche und durch ihre verhältnismäßig geringe Tiefe die für sie charakteristische Form erhält. Die Wanne dient als Kathode, an der sich das flüssige Aluminium niederschlägt. Das Anodensystem solcher allgemein üblicher Öfen wird durch ein oder mehrere Elemente gebildet, die aus einem geeigneten, kohlenstoffhaltigen Material bestehen und horizontal und parallel, mit einem einstellbaren Abstand von 3,5 bis 9 cm, dem Niveau des flüssigen Metalls gegenüberliegen. Es muß beachtet werden, daß bei derartigen öfen der Boden der Kohlenstoffwanne stets mit einer Schicht flüssigen Aluminiums bedeckt ist, auf der ja die kathodische Reduktion stattfindet. Das gewonnene Aluminium wird in regelmäßigen Abständen, unter Beachtung der Notwendigkeit, daß stets eine wenige Zentimeter hohe schützende Metallschicht auf dem Boden der Kohlenstoff wanne zurückbleibt, entnommen.

Diese Ausführung herkömmlicher öfen bietet keine Möglichkeit, die Wärmeabstrahlung der Schmelzbadoberfläche sowie die der Anodenflächen merklich zu vermindern.

Die Folge dieses Umstandes sind viele Nachteile, was sowohl die Konstruktion als auch den Betrieb solcher Öfen betrifft, z. B.

a) erhebliche Wärmeverluste als Folge der großen Oberflächen, insbesondere der des offenen Schmelzbades,

b) Verluste des Kryolithbades an flüchtigen Bestandteilen, ebenfalls eine Folge der großen Oberflächen,

c) erhebliche Raumerfordernisse.

Außerdem ist es klar, daß die Stromdichte der Kathodenoberfläche bedeutend geringer ist als die Stromdichte der gegenüberliegenden Gesamtfläche der Anode bzw. der Anoden. Von ganz besonderer Bedeutung aber sind bei solchen Ofenkonstruktionen die Verhältnisse Gesamtgewicht des Bades zu den Anodenflächen und Gesamtgewicht des Bades zur Stromstärke.

Es sind bereits Vorschläge gemacht worden, diese Nachteile zu beheben, indem man den Elektrolyseofen mit geneigten Kathoden- und Anodenwänden versah und insbesondere die Kathode aus geneigten Zirkonium-Ofen zur Herstellung von Aluminium
durch Schmelzflußelektrolyse

Anmelder:

Montecatini Sozietä Generale per Hndustria Mineraria e Chimica, Mailand (Italien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. DipL-Chem. Dr.phil. Dr.techn. J. Reitstötter, Patentanwalt, München 15, Haydnstr. 5

Beanspruchte Priorität:

Italien vom 24. Juli 1958

Alberto Vajna de Pava, Mailand (Italien),
ist als Erfinder genannt worden

oder Titancarbidplatten fertigte — was sehr kostspielig ist und eine schwierige, keineswegs einfache Herstellung zur Voraussetzung hat. Der Vorschlag zeugt von dem technischen Vorurteil, daß die Verwendung einer Kathode aus »blankem« Kohlenstoffmaterial, d. h.

solchem, das nicht von einer Schutzschicht aus flüssigem Aluminium bedeckt ist, was bei geneigter Kathodenfläche natürlich nicht zu bewerkstelligen ist, unmöglich ist, weil in diesem Falle die direkte Abscheidung des Aluminiums bei zu niedriger Stromausbeute erfolgen würde.

Hierbei muß berücksichtigt werden, daß durch den direkten Kontakt der Zirkonium- bzw. Titancarbidkathode mit dem Kryolithbad und dem Metall das gewonnene Aluminium durch das aus der Kathode stammende Zirkonium bzw. Titan gegebenenfalls verunreinigt werden kann.

Ein anderer Vorschlag hinsichtlich der hier zur Diskussion stehenden Elektrolyse sieht einen Ofen mit geneigten Anoden aus Elektrodenkohle, die von der Badseite her, wo sie geneigten Graphitkathoden gegenüberstehen, erneuert werden können, vor.

Hierzu ist zu bemerken, daß der Elektrodenzwischenraum in solchen Öfen an den Seiten begrenzt ist durch Wände aus feuerfesten Steinen, die elektrisch nicht leitend sind; darüber hinaus muß dieses Material inert sein gegenüber Einwirkungen des Schmelzbades, es ist teuer und unwirtschaftlich. Weiter ist festzustellen,

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daß diese bekannten Lösungsversuche in Form ge- dürfte es klar erkennbar sein, daß bei den bekannten

neigter Kathodenflächen die Verwendung von Anoden Öfen nur ein sehr kleiner Teil, bei dem erfindungs-

verlangen, die nur an einer oder zwei, nämlich der gemäßen Ofen aber der überwiegende Teil des Stromes

Kathode gegenüberliegenden Flächen, nicht aber auf durch die geneigten Kathodenwände fließt. Da diese

den Seitenflächen wirksam werden und zusätzlich 5 Seitenflächen aus Kohle und nicht aus Graphit be-

eine starke, beidseitige Wärmeisolierung erforderlich stehen, sind sie einer schnellen Korrosion unterworfen

machen. und werden gegebenenfalls durch festgewordenen

Die vorliegende Erfindung löst nun das Problem Elektrolyten ersetzt.

durch Schaffung eines Ofens mit geneigten Kathoden- Der hier beschriebene erfindungsgemäße Ofen kann

flächen, indem sie die Vorteile der bekannten Vor- io ferner zur leichteren Handhabung mit mehreren

Schläge, z. B. höheres Verhältnis von oberer, verteilend Anoden ausgestattet werden, dadurch, daß man die

wirkender Oberfläche (Bad, Kathode, Anode) zu üblichen Zellen mit mehreren Anoden oder mehrere

weniger aktiver anodischer Oberfläche, wie dies bei Zellen verwendet, d. h. ein Ofen mit mehreren neben-

dem gebräuchlichen Ofentyp der Fall ist — mit vor- einander- oder hintereinandergeschalteten Elektroden,

gebrannten Anoden oder Söderberg-Anoden mit der 15 mit Anoden der beschriebenen Form und einer

Kathode gegenüberliegenden, vorwiegend horizontalen massiven Kathodenwanne aus Graphit mit einer

Flächen —, mit der Beseitigung der bereits erwähnten entsprechenden Anzahl von Hohlräumen — falls es

Nachteile verbindet. sich um getrennte Anodenelemente handelt — zwischen

Insbesondere arbeitet der Elektrolyseofen gemäß massiven Trennwänden und geneigten gegenüber-

Erfindung mit einer von oben und außerhalb einstell- 20 liegenden (nach unten divergierenden) Wänden mit

baren Anode, die nachgestellt und ausgewechselt oder ohne elektrisch isolierende Trennwände zwischen

werden kann. den zwei geneigten Seitenflächen, je nachdem die

Der neue Elektrolyseofen besteht aus einem massiven zugehörigen elektrischen Verbindungen in Serie oder

Graphitgefäß, dessen Innenwände nach der Mitte zu parallel geschaltet sind.

geneigt sind und einer gleichen Zahl paralleler Anoden- 25 Im ersteren Fall bei der massiven Graphit-Kathodenflächen gegenüberliegen, so daß sie im wesentlichen die wanne ist ein besonderes Verbindungsmittel zwischen Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes den Kathoden der verschiedenen Zellen nicht notbilden (quadratisch oder rechteckig, je nachdem das wendig; im zweiten Fall können die Verbindungen Gefäß — was gewöhnlich der Fall ist — die Form zweckmäßig z. B. oberhalb des Ofens installiert eines Parallelepipedons oder eines Würfels hat). In der 30 werden.

Mitte des Gefäßes ist ein Sumpf vorgesehen, in dem Es sei ausdrücklich vermerkt, daß im Rahmen der sich das im Verlaufe der Elektrolyse gewonnene und Erfindung auch nur ein Teil der beschriebenen Merkgeschmolzene Aluminium sammelt. _male verwirklicht sein kann, z. B. fällt unter die

Die vorliegende Erfindung überwindet auch ein Erfindung ein Ofen mit massiver Graphit-Kathodentechnisches Vorurteil: es war nämlich zu erwarten, daß ₃₅ wanne und prismatischem Hohlraum mit im wesenteine massive Graphitkathode ähnlichen Volumens und liehen V-förmig gestaltetem (oder trapezoidem) Verähnlicher Form erhebliche Nachteile mit sich bringen tikalschnitt und der größeren Basis oben; ein Ofen mit würde, wie unregelmäßige Stromverteilung in der Anode oder Anodenreihe und von konvexer Form Kathode und größte Stromdichte auf der Kathoden- entsprechend einem erwähnten Hohlraum von prisoberfläche. 40 matischer Gestalt. In diesem Falle sind die Anode

Die (bewegliche) Anode im erfindungsgemäßen bzw. die Anodenreihen und die entsprechenden

Ofen kann vom halbkontinuierlichen, vorgebrannten Wannenwände senkrecht und nicht geneigt. Eine

Kohletyp oder eine Söderberg-Elektrode in allen andere Ausführungsform sieht Anodenreihen mit

Abarten sein, sofern nur die beschriebene Form vertikalen, einander zugewandten Flächen vor,

eingehalten wird. 45 während an beiden Enden der Anodenelementreihe

Die Beschickung des Elektrolysebades mit Alumi- die Seiten (und die entsprechenden Wannenwände) im

niumoxyd kann mechanisch oder von Hand, Chargen- Sinne der Erfindung geneigt sind. In diesem Falle

weise, halb- oder vollkontinuierlich erfolgen. werden nur die vertikal einander gegenüberstehenden

Das gewonnene Aluminium, das, wie erwähnt, an Anodenseiten elektrolytisch nicht »arbeiten«, während

den geneigten Flächen der Kathode abfließt und in 50 alle anderen Vorteile der Erfindung, so der beachtliche

einer Kammer aufgefangen wird, kann von einer Vorteil, daß alle anderen Anodenseiten arbeiten,

Strommenge durchflossen werden, die von dem Ver- bestehenbleiben.

hältnis Fläche der seitlichen Anodenoberflächen zu Zur Erläuterung der Erfindung sind beispielsweise

Fläche des dem Boden gegenüberliegenden Anoden- einige Ausführungsmöglichkeiten schematisch durch

teils abhängig ist. Die metallische Oberfläche kann 55 die Zeichnungen dargestellt, ohne daß die Erfindung

deshalb als Teil der Gesamtkathodenfläche des Ofens hierdurch beschränkt werden soll,

wirken, wobei die Kathodenfläche vornehmlich durch Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen

eine blanke Kohle-(Graphit-) Kathode gebildet wird. »Einzellenofen« gemäß Erfindung mit einer Graphit-

Auch bei den herkömmlichen Elektrolyseöfen fließt Kathodenwanne und einer pyramidenförmigen Anode;

ein Teil des Stromes durch die (aus amorpher Kohle 60 Fig. 2 zeigt den Ofen der Fig. 1, von oben gesehen;

bestehenden) Seitenflächen und bewirkt dort eine Fig. 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen

kathodische Reduktion. Ofen mit mehreren Anoden von der Art, gezeigt in

Dabei beträgt aber die seitlich wirksame Fläche — Fig. 1 und 2, und ebenfalls mit einem massiven

sofern sie bei den bekannteren Industrieöfen überhaupt Graphitgefäß als Kathode;

vorhanden ist — höchstens 20% der horizontalen 65 Fig. 4 zeigt einen Ofen der Fig. 3, von oben gesehen;

Aluminiumoberfläche; da diese Fläche einen durch- Fig. 5 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen

schnittlichen Abstand hat, der das Siebenfache des Mehrzellenofen mit Einzelzellen ähnlich denen der

allgemein üblichen Elektrodenabstandes ausmacht, Fig. 1 und 2;

Fig. 6 zeigt einen Ofen der Fig. 5, von oben gesehen;

Fig. 7 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Ofen mit prismatischen Anoden in einer massiven Graphitwanne;

Fig. 7a zeigt einen Ofen der Fig. 1 in der Perspektive; Fig. 8 zeigt einen Ofen der Fig. 7 von oben.

Gleiche, gleichartige oder entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszahlen, und zwar 1 Stromanschluß einer regulierbaren Anode, 2 Anode, 3 aus massivem Graphit bestehende und die Kathode bildende Wanne (z. B. Elektrographit), 4 Ausmauerung aus feuerfesten Steinen, 5 stromführende Eisenstäbe für die Kathode, 6 Kammer, in der das gewonnene Aluminium gesammelt wird, 7 Raum zwischen den Elektroden, der vom Elektrolytbad eingenommen wird.

In Fig. 5 und 6 ist zwischen den benachbarten Kathoden 3 eine Isolierung 8 eingebaut (Mehrzellenofen). Form und Anordnung der Ofenelektroden bedürfen keiner weiteren Beschreibung. Stromzuleitung, Art und Mittel der elektrischen Verbindungen und die Stromführung, das Einschalten, die Al₂O₃-BeScMkkung, das Abstechen des gewonnenen flüssigen Aluminiums, die Einstellung des Elektrodenabstandes, Ergänzung bzw. Wiedereinsetzen der Anoden von oben, wobei es sich um vorgebrannte oder um selbstbackende Söderberg-Anoden handeln kann, sind völlig analog den Anordnungen, wie sie bei den üblichen und im industriellen Einsatz stehenden Ofentypen zu finden sind. Das gleiche gilt für das Material der Stromanschlüsse, des Leitungsgestänges, der Ausmauerung und der Isolation usw. mit Ausnahme, wie gesagt, der massiven Graphitwanne, welche die Kathode bildet. Alle Teile, die nicht in den eigentlichen Rahmen der Erfindung fallen, sind deshalb weder beschrieben noch in den Zeichnungen erläutert worden. Die Zeichnungen sind aus Gründen des besseren Verständnisses rein schematisch.

Es muß weiterhin erwähnt werden, daß die Fig. 1,

3, 5 und 7 nur den senkrechten Schnitt der Ebenen entlang der Linien A-A, B-B, C-C und D-D der Fig. 2,

4, 6 und 8 zeigen und daß die einander gegenüberliegenden Flächen der Anode 2 und Kathode 3 im rechteckigen Vertikalschnitt den in den Fig. 1/2, 3/4 und 5/6 gezeigten ähnlich sind. In Fig. 8 sind die einander gegenüberliegenden Flächen 2'" und 2"" zweckmäßig vertikal, desgleichen die Flächen 2', 3', 2" und 3" (prismatische Form mit nahezu dreieckigem oder trapezoidem Querschnitt des Gefäßes und der Anoden).

Selbstverständlich können die »Mehranoden«- und »Mehrzellen«-Typen mehr als zwei Anoden und mehr als zwei Zellen aufweisen, und »Mehranoden«- und »Mehrzellen «-Typen können kombiniert sein, ohne daß dadurch der Umfang der Erfindung berührt wird.

Im folgenden soll ein keineswegs abgrenzendes Beispiel für die Leistung eines Ofens gemäß Erfindung aufgezeigt werden, das sich auf den Ofentyp bezieht, der in Fig. 3 und 4 gezeigt wird und gleichermaßen für den Ofentyp der Fig. 5 und 6 Gültigkeit hat.

Technische Daten der Zellen:

Bad Kryolith und Al₂O₃

Stromstärke 1000 A

Anodenstromdichte ... 0,7 A/cm²

Kathodenstromdichte . 0,4 A/cm²

Elektrodenabstand .... 4 bis 7 cm

Durchschnittliche

Gesamtspannung ... 5 V
Elektrolysenspannung . 4 V
Durchschnittliche

Badtemperatur 950 bis 970⁰C

Stromausbeute 80 bis 90%

Spezifischer Energieverbrauch 16,7 bis 18,7 kWh/kg Al

einschließlich äußerer
Spannungsabfälle,
13,3 bis 15 kWh/kg Al
ohne äußere
Spannungsabfälle

Die Zelle besteht aus einer Einblockwanne, deren Länge das Zweifache der oberen Breite und das Dreifache der unteren Breite beträgt.

Ausmaße im Inneren der Wanne:

Länge 400 mm

Tiefe 260 mm

Obere Weite 200 mm

Untere Weite 100 mm

Der Querschnitt hat so die Form eines Trapezes mit der schmalen Basis unten und Seitenwinkeln von 80° zur Horizontalen.

Material

Die Wanne wurde aus einem Elektrographitzylinder (450 mm Durchmesser) hergestellt und auf beiden Seiten abgeflacht, um ihm auch außen eine trapezoide Form zu geben. Zusätzlicher Heizstrom wurde nicht zugeführt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ein- oder Mehrzellenofen für die Schmelzflußelektrolyse von vorzugsweise in Kryolithbädern gelösten Aluminiumverbindungen zur Herstellung von Aluminium unter Anordnung von Anoden und Kathoden mit geneigten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zelle oder jede einzelne Zelle bei einem Mehrzellenofen durch eine massive Kathodenwanne (3) mit aus Graphit flach geneigten Innenwänden und mindestens einer der Form der Innenwände der Kathodenwanne entsprechenden Anode (2) gebildet wird, wobei die Anode im wesentlichen die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes oder eines konvexen Prismas und die Kathode eine entsprechende konkave Form gleicher Neigung hat.

2. Mehrzellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Trennwände aufweist, die die Kathodenwanne (3) in voneinander unabhängige Zellen teilt.

3. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden aus amorpher Kohle oder aus selbstbackender Söderberg-Masse bestehen.

4. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenwanne (3) aus Elektrographit besteht.

5. Ofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode der Zelle bzw. jeder einzelnen Zelle einen Vertikal-, Quer- und/oder Längs-, Trapezschnitt aufweisen, dessen Grundflächen ein Verhältnis von 0,1:0,5 haben,

während das Verhältnis Höhe zu größerer Grundfläche zwischen 0,3 und 1,3 liegt.

6. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme und zum Abstechen des auf dem Boden der Kathodenwanne (3) gebildeten Aluminiums eine Kammer (6) vorgesehen ist, die die Form einer Rinne oder eines Kanals hat.

7. Ofen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere untereinander in Verbindung stehende Kammern oder eine gemeinsame Kammer in Form eines die Böden der einzelnen

Hohlräume der Kathodenwanne (3) verbindenden Kanals aufweist.

8. Ofen nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß er für jede Zelle eigene Kammern zum Auffangen und Abstechen des Aluminiums aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 784 695;
W. Fulda und H. Ginsberg, »Tonerde und Aluminium«, II. Teil/»Aluminium«, 1953, S. 14 und 79.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen