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Elektrolytische Zelle für die Raffination von Aluminium
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elektroden benützt, die man in das flüssige Kathodenmetall eintauchen lässt. Das höchst- reine Metall kann aber auch in Raffinationszellen gewonnen werden, deren kathodische Ableitungen in Form von flüssigen Metallanschlüssen ausgeführt sind. Die Metallanschlusskanäle können in bekannter Weise als kanalförmige Ausbauten an der Zelle angeordnet sein, in die das flüssige Kathodenmetall eingeleitet ist. An den äusseren Kanalenden tauchen in das Kathodenmetall die Anschlussschienen ein.
Es ist bekannt, dass man mit vorgereinigtem Elektrolyten arbeiten muss, wenn man ein Reinstaluminium möglichst hohen Aluminiumgehaltes erhalten will. Die Vorreinigung erfolgt im allgemeinen dadurch, dass die Elektrolytbestandteile in Pulverform, so wie sie bezogen werden, zunächst miteinander vermischt werden. Sodann wird diese Mischung in einer Vorreinigungszelle eingeschmolzen und hier der Elektrolyse nach dem Dreischichtenverfahren unterworfen. In dieser Vorreinigungszelle gewinnt man die vorgereinigte Schmelze, die daraufhin der Zelle, in der das hochreine Metall erzeugt werden soll, zugegeben wird. Man kann die Schmelze auch doppelt, wenn nötig auch dreifach vorreinigen, u.
Zw. dadurch, dass man die Elektrolv. tbestandteile zunächst in einer Zelle einschmilzt, die gewonnene Schmelze einer zweiten, darauf gegebenenfalls noch einer dritten Raffinationszelle zugibt, um sie erst aus dieser in die Zelle einzubringen, in der man das hochreine Metall gewinnen will.
Durch diese Vorreinigung erfolgt im allgemeinen eine erhebliche Verminderung der Menge der in den Fluoriden und Chloriden enthaltenen Verunreinigungen, die z. B. aus Kieselsäure und Eisenoxyd bestehen. Analysen eines vorgereinigten Elektrolyten, der aus reinen Fluoriden bestand, ergaben z. B. einen Si02-Gehalt von nur 0, 02 und einen Fe203Gehalt von nur 0, 03''/0.
Es ist ferner bekannt, dass man die Raffinationszellen zwecks Erzielung eines höchst-
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reinen Aluminiums vorteilhafterweise mit hohem Elektrolytstand arbeiten lässt, d. h. man betreibt die Zellen unter Einhaltung einer möglichst grossen Höhe der Elektrolytschicht und geht dabei auf Elektrolyschichtstärken von 12 cm und darüber. Dank der hohen Elektrolytschicht wird eine Vermi-
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gängen im Anodenmetall und im Elektrolyt vorkommen kann, so weit wie möglich verhindert.
Die Einhaltung einer hohen Elektrolytschicht und damit auch eines grossen Elektro- lyivolumens neben der Einhaltung einer hohen Kathodenmetallschicht in der Raffinationszelle erleichtert auch aus einem andern Grunde in hohem Masse die Erzielung von höchstreinem Aluminium. Bei Arbeiten an der Zelle, bei denen die wärmeisolierenden Deckel entfernt werden müssen, z. B. beim Schöpfen deo Kathodenmetalles oder auch-im Falle der Verwendung von Graphitelektroden für die kathodische Stromableitung-beim Auswechseln von Elektroden, treten verhältnis- mässig starke Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung auf, die zu erheblichen Temperatursenkungen im Zelleninneren führen können.
Derartige Temperatursenkungen, besonders wenn dabei der Liquiduspunkt des Elektrolyten erreicht wird, begünstigen die Bildung von Krusten, die aus der Elektrolytschmelze ins Metall gelangen und dort zu Verunreinigungen führen können. Es kommt hinzu, dass bei stärkerer Krustenbildung die Raffinationszelle häufiger abgeschäumt werden muss. Jedes Abschäumen bedeutet aber einen Verlust an Elektrolytschmelze, der durch Neueinbringung von frischem Elektrolyten ersetzt werden muss. Mit dem frischen Elektrolyten gelangen wieder neue Verunreinigungen ins Bad und damit auch durch die Elektrolyse ins Kathodenmetall.
Aus diesem Grunde sind RaKinationszellen, die mit hohen Stromstärken betrieben werden, günstiger als Zellen, die mit niedrigeren Stromstärken arbeiten, denn bei ersteren ist bei gleicher Elektrolytschichthöhe die hauptsächlich der Abkühlung ausgesetzte Oberfläche des Elektrolyten im Verhältnis zum Elektrolytvolumen geringer als bei kleineren Zellen. Es ist daher in Raffinationszellen, die mit Stromstärken von 30. 000 oder 40. 000 A betrieben werden, eher möglich, ein Reinst- aluminium mit höchstem Aluminiumgehalt zu erzeugen, als in solchen, die beispielsweise nur mit 9. 000 A arbeiten.
Weiterhin ist die Einhaltung folgender Be- dingungen zur Erzielung höchstreinen Alu- miniums in der Dreischichtenelektrolyse er- forderlich :
Es sind Graphitelektroden höchstreiner Qualität zu verwenden, deren Aschegehalt möglichst unter 0, 2 % liegen sollte, oder es muss mit flüssigem Metallanschluss an die Kathode gearbeitet werden.
Alle Werkzeuge, die für die Arbeiten an der Zelle benützt werden, z. B. Messstäbe, Werkzeuge für das Abschäumen, Schöpflöffel usw., sollten aus höchstreinem Graphit bestehen.
Ausserdem ist es sehr vorteilhaft, wenn das Zusatzmetall, das dem Anodenmetall zugegeben wird, bereits einen Reingehalt von möglichst über 99, 0 % aufweist.
Unter Einhaltung obengenannter Bedingungen gelingt es bei sorgfältigster Arbeitsweise, Reinstaluminium mit maximal etwa 99, 9975 % zu erzeugen.
Ein derartig hochreines Aluminium fällt
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Für bestimmte Verwendungszwecke besteht nun Interesse für Aluminium einer Reinheit, die noch über derjenigen liegt, die man bisher in der Dreischichtenelektrolyse erreicht hat, oder für ein Aluminium, dessen Gehalt an bestimmten Verunreinigungen noch geringer ist als bisher.
In systematischer Entwicklungsarbeit ist es nun nach Durchführung einer grossen Reihe von Untersuchungen gelungen, eine Zelle zu bauen, mit der ein Reinstaluminium in der Dreischichtenelekrolyse erzeugt werden kann. dessen Reinstgehalt bei 99998 % und darüber, im Durchschnitt bei 99, 999 to liegt, wobei angenommen ist, dass ausser den eingangs aufgezählten Fremdelementen nur noch vernachlässigbare Spuren anderer Elemente vorhanden sind.
Im Verlauf der Untersuchungen wurde die überraschende Feststellung gemacht, dass das Problem der Verminderung der letzten Verunreinigungen im Reinstaluminium auf ein Mindestmass eng mit der Verteilung des Stromes im Bad zusammenhängt.
Die Zellen mit Metallanschlusskanälen weisen gegenüber den mit Graphitelektroden betriebenen Zellen den Vorteil auf, dass sie auf der kathodischen Seite völlig ohne Kohleelektroden arbeiten. Auch bei Verwendung von höchstreinem Graphit für die Elektroden gelangen immerhin noch Spuren von Verunreinigungen ins Kathodenmetall, die man beim Arbeiten mit Metallanschlusskanälen vermeidet.
Bei den bisher gebauten Raffinationszellen mit kathodischen Metallanschlüssen hat man im allgemeinen mit 1 bis höchstens 2 Metallanschlusskanälen gearbeitet, deren Achsen in
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Richtung der Zellenmitte untereinander einen spitzen Winkel bildeten. Diese Anordnung wurde gewählt, um die Stromzuleitungen zur Kathode in möglichst gedrängter und einfacher Form an die Zelle heranzuführen und die Ofenseiten, die ausserhalb des von den Metallanschlusskanälen gebildeten Winkels liegen, für andere Zwecke, z. B. Anordnung von Vorherden oder Durchführung von Schöpfarbeiten, Messungen usw. freizuhalten.
Die Untersuchungen haben ergeben, dass bei der bisher angewendeten Form und Lage der Anschlusskanäle keine Gewähr dafür besteht, dass der Strom die Zelle gleichmässig durchfliesst. Bei einer spitzwinkeligen Anordnung der Metallanschlusskanäle tritt eine Zusammendrängung der Stromlinien an der Seite der Zelle auf, an der die Stromanschlusskanäle liegen.
Erfindungsgemäss wird ein gleichmässiger Stromdurchfluss durch die Zelle dadurch erzielt, dass diese mit zwei bis vier Seitenkanälen für den Stromanschluss versehen ist, wobei die waagrechten Linien, die den Mittelpunkt der Einmündungen zweier dieser Seitenkanäle in das Zelleninnere mit dem Mittelpunkt der Zelle verbinden, ohne Berücksichtigung zwischen ihnen angeordneter Seitenkanäle, einen Winkel von mindestens 900 bilden.
Wenn diese Bedingung für mindestens zwei Kanäle erfüllt ist, dürfen die weiteren Kanäle an irgendwelcher andern beliebigen Stelle des Zellenumfanges angeschlossen sein und auch zwischen den beiden ersten. Ferner dürfen die Seitenkanäle mit der Wand der Zelle irgendwelchen beliebigen Winkel bilden ; in der Praxis wird man sie aber vorzugsweise senkrecht oder annähernd senkrecht zur Zellenwand anordnen.
Bei runden Zellen mit zwei radial ange- ordneten Seitenkanälen verläuft die Längsachse der Kanäle zwangsläufig über den Mittelpunkt der Zelle. Gemäss der Erfindung müssen solche radial liegende Seitenkanäle so angeordnet werden, dass die Längsachse zweier dieser Kanäle einen Winkel von mindestens 90 bilden. Die weiteren Kanäle können dann an irgendeiner andern Stelle des Zellenumfangs angeordnet werden.
Ebenso können elliptische, ovale oder mehreckige Zellen mit nach der vorliegenden Erfindung angeordneten Seitenkanälen versehen werden.
Im Falle von rechteckigen Raffinationszellen, die mit zwei Anschlusskanälen ausgerüstet sind, müssen diese an zwei gegen- überliegenden oder auch an zwei benachbarten Zellenseiten angeschlossen sein, wobei dann ihre Einmündungen in der vorgeschriebenen Winkellage in bezug auf den Mittelpunkt der Zelle liegen müssen. Bei gleichen Zellen, die mit drei oder vier Anschlusskanälen versehen sind, werden diese vorzugsweise auf drei Zellenseiten verteilt.
Nur bei einer derartigen Anordnung der Metallanschlusskanäle wird, wie gefunden wurde, ein gleichmässiger Stromdurchfluss durch die Raffinationszelle gewährleistet.
Vorbedingung ist noch, dass mit einer Kathodenmetallschicht von mindestens 10 cm, vorzugsweise von 15-20 cm, gearbeitet wird.
Die Höhe der Kathodenmetallschicht soll allerdings üblicherweise etwa 30 cm nicht übersteigen.
Bei Reinigungsarbeiten an den Metallanschlüssen darf unter keinen Umständen der Stromdurchfluss durch einen der Metallanschlusskanäle reduziert oder unterbunden werden, da sonst die Stromverteilung in der Zelle gestört wird. Die Arbeiten zur Reinigung und Entschlackung der Metallanschlusskanäle müssen daher während des Betriebes durchgeführt werden, ohne dass der Strom in dem zu reinigenden Kanal abgeschaltet wird.
Die Raffinationszellen mit kathodischen Metallanschlusskanälen haben gegenüber Zellen, die mit Graphitelektroden betrieben werden, den Vorteil, dass die Arbeiten an der Zelle auf ein Mindestmass reduziert bleiben und dass praktisch die Zellen nur zwecks Herausnahme des Kathodenmetalles geöffnet werden müssen. Dadurch besteht gerade bei diesen Zellen Gewähr dafür, dass zeitliche und örtliche Änderungen der Stromverteilung im Elektrolyten und Anodenmetall nicht auftreten.
Es kommt daher auch in solchen Raffinationszellen zu keinerlei Krustenbildung und Wallungen. Erfahrungsgemäss brauchen derartige Ofen fast nie abgeschäumt zu werden und weisen einen minimalen Blektrolytver- brauch auf. Diese Ofen ergeben daher Reinstaluminium mit dem höchsterreichbaren Aluminiumgehalt.
In einer Raffinationszelle, die mit einer Stromstärke von 18, 000 A und mit zwei kathodischen Metallanschlüssen betrieben wird, deren Achsen einen Winkel von 900 bilden, gelingt es, Reinstaluminium im Dauerbetrieb mit einem Reingehalt von durchschnittlich 99, 999 % zu gewinnen. Diese Verhältnisse kommen selbstverständlich auch im Falle von Raffinationszellen höherer Stromstärke in Frage, z. B. von 60, 000 A oder sogar bis etwa 100. 000 A.
Das in einem solchen Ofen mit Metallanschluss erzeugte Reinstaluminium wies z. B.
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von Aluminium nach dem Dreischichtenverfahren, in welcher Zelle die Stromzuführung zur Kathodenschicht mit Hilfe von metallschen Leitern geschieht, die in Seitenkanälen in metallischem Kontakt mit dem flüssigen Kathodenmetall stehen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit zwei bis vier Seitenkanälen versehen ist, wobei die waagrechten Linien, die den Mittelpunkt der Einmündungen zweier dieser Seitenkanäle in das Zelleninnere mit dem Mittelpunkt der Zelle verbinden, ohne Berücksichtigung etwaiger zwischen ihnen angeordneter weiterer Seitenkanäle, einen Winkel von mindestens 900 bilden.