DE2459930A1

DE2459930A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2459930A1
Application number: DE19742459930
Authority: DE
Inventors: James Laurence Merrett
Original assignee: Comalco Ltd
Current assignee: Rio Tinto Aluminium Holdings Ltd
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5837399B2; IT1027761B; DE2459930C2; JPS50116309A; FR2255396B1; FR2255396A1; NO744583L; GB1454869A; NO139692B

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL.-INQ. _

H. KINKELDEY

DR.-INQ.

W. STOCKMAlR

2459930 DR-INS. · AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR. RER. NAT. · QIPL.-PHYS.

P. H. JAKOB

DlPl INQ.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INS.

LINDAU

8 MÜNCHEN

MAXIMIUANSTRASSE

19. Dezember 1974-P 8680

COMALCO LTD.

95 Collins Street, Melbourne, State of Victoria, Australien

Elektrolysezelle

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium mit einem Kathodenhohlraum und mehreren Anoden, die nach unten in den Hohlraum vorstehen.

Allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Elektrolysezelle, die bei der Schmelzflußelektrolyse verwendet -wird, wie sie üblicherweise zur Herstellung von metallischem Aluminium nach dem Hall-Verfahren eingesetzt wird. Im einzelnen betrifft die Erfindung wesentliche Modifikationen in der Anordnung der Kohlenstoff-Anoden sowie eine Erhöhung der

509827/0634

TELEFON (OSS) 33 93 99 TELEX OB-30330 TELEGRAMME MONAPAT

ORIGINAL INSPECTED ^CQPY

effektiven Querschnittsoberfläche dieser Anoden, wie sie in Hall-Zellen oder " Wannen " bzw. ¹¹ Pfannen " verwendet werden, die bei mittleren bis hohen Stromdichten betrieben werden. Die modifizierte Anordnung der Anoden sowie die Steigerung der Querschnittsfläche der Anoden führt·zu wesentlichen Einsparungen beim elektrischen Energieverbrauch und zu einer Abflachung des sog. " Metallbodens " ( " metal pad " ); damit ist das geschmolzene Metall gemeint, das die Kathode bildet.

Bei der herkömmlichen elektrolythischen Darstellung VOXL Aluminium werden mehrere vor gebrannte Anodenblöcke oder Anodenanordnungen ( eine Anodenanordnung kann mehr als einen Anodenblock enthalten ) im allgemeinen in jeder Zelle oder Wanne in zwei einander gegenüberliegenden Reihen angebracht , die sich längs der Wanne erstrecken. Die genaue Zahl pro Wanne und die tatsächlichen Größen der Anoden können bei verschiedenen An- . lagen in weiten Bereichen variieren. Das als Rohmaterial für die Herstellung von Aluminium dienende Aluminiumoxid und andere Zusätze des Elektrolysebades werden üblicherweise in " Kanälen " oder offenen Räumen zwischen zwei Reihen von Anoden oder zwischen einer Reihe von Anoden und der Seitenwand einer Zelle , genauer eines Kathodenhohlraumes, zugeführt. DaS als Endprodukt entstehende Aluminium wird ebenfalls

509827/0634

aus diesen Kanälen entnommen, beispielsweise abgestochen, abgesaugt und vergossen. Die Kanäle sind üblicherweise durch eine erstarrte , feste Kruste aus den Bestandteilen des Bades bedeckt, so daß diese Kruste aufgebrochen werden muß, bevor dem Schmelzbad , das sich unter dieser Kruste befindet, das Aluminiumoxid und die anderen Zusätze zugeführt werden können.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung der, vorgebrannten Anoden, durch die der von dem offenen Kanal eingenommene Raum sehr stark verkleinert wird, indem er mit Anoden gefüllt wird, wobei jedoch noch ein ausreichender offener Raum beibehalten wird, um das Aluminiumoxid und die Zusätze zuzuführen und das als Endprodukt entstehende Aluminium zu entnehmen, '

In der Praxis wird zur Zeit gelegentlich der Kanalraum verkleinert, um so den " Austrag " aus dem Schmelzbad zu verringern; weiterhin sollen dadurch die Wärmeverluste gesenkt und die unerwünschte Verflüchtigung der Bestandteile des Bades möglichst klein gehalten werden; schließlich soll damit noch einfach die mühevolle Arbeit erleichtert werden, die mit dem Aufbrechen der Kruste verbunden ist. Dadurch soll jedoch keine zusätzliche Anodenfläche geschaffen werden.

509827/06 3 4

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium mit einem Kathodenhohlraum und mehreren Anoden geschaffen, die nach unten in den Hohlraum vorstehen, wobei die Zelle sich dadurch auszeichnet, daß die Anoden in der Weise angeordnet sind, daß sich im wesentlichen um den gesamten Umfang des Kathodenhohlraumes ein minimaler freier Raum ergibt und die Anoden einen möglichst kleinen Abstand voneinander haben, wobei an einer oder mehreren ausgewählten Stellen zwischen den Anoden oder zwischen den Anoden und den benachbarten Wänden der Zelle:, ein freier Raum übrig bleibt, um Aluminiumoxid und andere Zusätze des Elektrolysebades zuzuführen; dabei beträgt die gesamte Querschnittsfläche der Anoden nicht weniger als 80 % der Querschnittsfläche des Käthodenhohlraums.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die gesamte Querschnittsfläche der Anoden nicht weniger als 85 % der Querschnittsfläche des Kathodenhohlrauraes. >

Zweckmässigerweise kann dies durch eine Kombination von zwei Möglichkeiten erreicht werden, nämlich durch eine Erhöhung der Größe der •Anoden und durch die Anordnung einiger Anoden in der Weise , daß ihre langen Seiten parallel zu der langen Seite der Wanne sind, während die

509827/0634

kurzen Seiten der, übrigen Anoden weiter parallel zu der langen Seite der Wanne angeordnet werden. Die jeweilige Anordnung der Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung muß immer berücksichtigen, daß die Spalten zwischen ihnen möglichst klein sein sollten und daß noch ausreichender Raum für die Beschickung und Entnahme zur Verfügung stehen sollte.

Ein weiterer Weg, durch den der oben erwähnte Raum zwischen den Anoden oder zwischen den Anoden und einer benachbarten Zellenwand verringert werden kann, besteht darin, Anoden mit unterschiedlichen Größen zu verwenden. Die Situation, beispielsweise die geographische Lage , einer Anlage kann jedoch dazu führen, daß die Herstellung von Anoden in mehr als einer einzigen Größe mit wirtschaftlichen Nachteilen verbunden ist, die nicht akzeptiert werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Mg.leine herkömmliche Elektrolysezelle , bei der zwischen den beiden Reihen von Anoden ein freier Raum vorgesehen ist, um die Zelle zu beschicken und das Endprodukt Aluminium zu entnehmen;

509827/063A

Figur 2 eine mögliche Umgruppierung der Anoden einer solchen Zelle gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 eine weitere herkömmliche Anordnung mit Seitenkanälen für die Beschickung der Zelle und die Entnahme des Aluminiums; und

Figur k eine weitere mögliche Umgruppierung der Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei der bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung einer Elektrolysezelle ist in einer Kathode 10 ein Hohlraum mit l8 Anoden 12 vorgesehen, die einen rechteckigen Querschnitt haben; dabei sind die kürzeren Seiten der Anoden 12 parallel zu der längeren Seite des Hohlraums 10 angeordnet. Der zwischen den Anoden liegende Raum l4, also der sich zwischen den beiden Reihen von Anoden befindende Raum, wird dazu verwendet, der Zelle die Rohmaterialien zuzuführen und das als Endprodukt entstehende Aluminium zu entnehmen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind 12 Anoden l6 in zwei Reihen angeordnet. Die Anoden haben wieder einen rechteckigen Querschnitt. Außer den Endanoden sind die Anoden so angeordnet, daß ihre kürzeren Seiten parallel zu den längeren Seiten des Kathodenhöhlraums sind.

50 98 27/063 4

Die kürzeren Seiten der Endanoden sind parallel zu den kürzeren Seiten des Kathodenhohlraums, so daß an jedem Ende zwischen den Anoden ein Raum l8 freibleibt, um die Zelle zu beschicken und das Aluminiumprodukt zu entnehmen.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ähnelt der in Fig. 1 dargestellten, wobei der tfcrrtersehied darin besteht, daß die Anoden 12 in zwei Reihen sehr nahe beieinander angeordnet sind, so daß ein Seitenkanal 20 zwischen jeder längeren Seite der Zelle und der benachbarten Anodenreihe entsteht, um die Rohmaterialien zuzuführen und das Aluminium zu entnehmen.

Bei der in Fig. k dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Anoden, die den nach der Ausführungsform in Fig. 2 verwendeten ähneln, so angeordnet, daß die meisten kürzeren Seiten parallel zu den längeren Seiten des Kathodenhohlraums sind. Bei den vier mittleren Anoden sind die kürzeren Seiten parallel zu den kürzeren Seiten des Hohlraums ,so daß ein Beschickungsund Entnahmekanal 22 auf jeder Seite der Zelle frei bleibt. -.-",-.

Bei der hier vorgeschlagenen Anordnung der Anoden wird im Vergleich mit der.herkömmlichen Ausgestaltung der Anoden die effektive Querschnittsfläche der Anoden erhöht und die Fläche oder der Kanal für die Beschickung bzw. Entnahme

509827/0634

verringert; dabei wird bei den herkömmlichen Anoden die erstarrte, feste Kruste zwischen den Anoden immer im wesentlichen längs der Gesamtlänge der Wanne aufgebrochen.

Aufgrund der effektiven Erhöhung der Anoden-Oberfläche, die durch die hier vorgeschlagene Anordnung der Anoden erreicht wird, läßt sich die Anoden-Stromdichte verringern. Damit wird also durch die vorliegende Erfindung eine Zelle mit niedrigerer Anoden-Stromdichte geschaffen, die alternativ unter folgenden Bedingungen betrieben werden kann: entweder bei einer geringeren Zahl von Kilowattstunden pro Gewichtseinheit ( Pfund ) Metall, die bei dear üblichen. Sfcroms-tärke erzeugt wix~d, oder bei erhöhter Stromstärke und deshalb gesteigerter Metallproduktion ohne Erhöhung der Zahl von Kilowattstunden pro Gewichtseinheit ( Pfund ) erzeugtes Metall.

Wie oben erwähnt wurde, ergeben sich bei den Aluminium-Reduktionszellen gemäß der vorliegenden Erfindung die gewünschten flachen ,. " Metallboden " . Durch diesen Effekt wird, wie bekannt, dazu'beigetragen, daß die Abtra- · gung oder der Verschleiß der Seitenwände der Kathode verringert wird und diese Abtragung gleichtnässiger erfolgt. Ein flacher Metallboden erleichtert auch die Steuerung und Optimierung der Abstände zwischen Anode und.Kathode. Die Steuerung wird erleichtert , weil die Tur-

509827/0634

bulenz des Schmelzbades verringert wird, und die Optimierung wird erleichtert, weil es im wesentlichen nur einen einzigen Metallpegel gibt. Üblicherweise zeigen Metallböden im gewissen Ausmaß Krümmungen an der Oberfläche der Schmelze, so daß bei einer bestimmten Zelle einzelne Justierungen der Lagen der unterschiedlichen Anodenblöcke oder Anodenanordnungen erforderlich werden.

Die Gründe für die oben erwähnte flache Ausgestaltung sind komplex und noch nicht vollständig geklärt. Es wird jedoch angenommen, daß der magnetische Fluß am Kathoden-Umfang einer Aluminium-Reduktionszelle die Resultierende von zwei einander entgegenwirkenden" Magnetfeldern' isir; das eine -Mag- ; netfeld wird durch die Ringleitung erzeugt, die den Strom von der Kathode aufnimmt, und hat eine starke vertikale, Komponente, während das andere Magnetfeld durch den durch die Anoden fliessenden Strom erzeugt wird und eine starke horizontale Komponente hat. Im einzelnen wird angenommen, daß die Anordnung und Stärke des durch die Anoden erzeugten magnetischen Flusses von dem Abstand zwischen jeder Anode und insbesondere von der Existenz eines mittleren Kanals abhängt, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Anoden - Aufbauten von den in den Fig. 3 und k gezeigten Typen neigen von Natur aus zu. flacheren Metallböden, wobei die hier beschriebene Verbesserung insbesondere für Fig. 2 relevant ist.

509827/063A

Wird der Kanal zwischen den Anoden verbreitert, so gewinnt die vertikale Komponente des magnetischen Flusses einen größeren Einfluß, der sich durch " Aufhäufen " bzw. " Auf sdi ütten "oder ¹¹ Buckelbildung " des Metallbodens bemerkbar macht. Sind umgekehrt :die Anoden näher beieinander angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so wird der Umfang verstärkt und wirkt wahrscheinlich der vertikalen Komponente in der Nähe des Kathoden-Umfangs entgegen, was zu einer Abflachung des Metallbodens führt.

Weiterhin verringert das häufige Aufbrechen einer kleineren Flache der- erstar.r-fcen_T fe-s-ten Kruste die Temperaturschwankungen und bringt den zu— -':-.-.'.'■■-sätzlichen Vorteil mit sich, daß die Zelle bei niedrigeren mittleren Temperaturen betrieben werden kann, wodurch der Stromwirkungsgrad verbessert wird.

Da das Aluminiumoxid und die weiteren Zusätze einer relativ kleinen Fläche der Zelle zugeführt werden, treten keine Probleme bezüglich der Verteilung oder der Absonderung bzw. Entmischung wegen der starken elektromagnetischen Rührwirkungen bei Hall-Zellen auf, da diese Effekte bei Zellen nach der vorliegenden Erfindung zwar verringert, jedoch noch ausreichend für die gleichmässige Verteilung der Badzusätze sind.

50 98 27/0 63

Die vorgeschlagene Anordnung mit vorgebrannten Kohlenstoff-Anoden kann in gleicher Weise bei Wannen oder Zellen eingesetzt werden, die Söderberg-Elektroden verwenden, wenn sie so umgestellt werden, daß sie mit vorgebrannten Anoden betrieben werden können. '

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren 3 und 4 dargestellten. Ausführungsformen beschränkt, da der Fachmann jederzeit die Möglichkeit hat, bei Bedarf diese Zellen, zu modifizieren und die Anoden an anderen Stellen anzuordnen, als es in den Figuren gezeigt ist. . ·

In dem folgenden Beispiel ^sollen nochmals die oben erwähnten Vorteile aufgrund von Vergleichen zwischen den verschiedenen Betriebsparametern für eine herkömmliche Zelle und eine Zelle gemäß der Erfindung erläutert werden.

Beispiel;

Eine Zelle von dem allgemeinen Typ, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wies 12 Anoden mit .

Querschnittsabmessungen von 135 ^cm x 121 cm auf; diese Zelle wurde kontinuierlich über einen längeren Zeitraum in einer Wannenreihe von herkömmlichen Zellen eingesetzt, die l8 .··,·- Anoden mit Querschnittsabmessungen von Il6 cm χ 8o cm aufwiesen, die gemäß der Darstellung in Fig. 1 angeordnet waren. Die effektive

50 9 8 27/0634

Erhöhung der Anodenfläche der modifizierten Zelle im Vergleich mit der herkömmlichen Zelle betrug 17 % . Die Größe des zwischen den Anoden liegenden Raumes wurde um ungefähr 65 % verringert. Diese Anordnung erhöhte die effektive 'Anodenfläche von näherungsweise 79»4 % der Querschnittsfläche des Kathodenhohlraums auf ungefähr 93 % der Fläche des Kathodenhohlraums.

Typische repräsentative Werte für die verschiedenen Betriebsparameter werden in der folgenden Tabelle für die herkömmliche bzw. die modifizierte Zelle miteinander verglichen:

Herkömmliche Wannen	Betriebsstrom kA	151,1	"■ - O₁ 45	Modifizierte Wannen
Stromwirkungsgrad	86,9	971	151,6
mittlere Voltzahl/ Wanne	4,45	88,8
Netto-kg Aluminium/ Wanne Tag	1057	4, 27
Gleichstrom-kwh/ kg netto-Aluminium 15/27	IO85
Netto-Kohlenstoff- Verhältnis	14,34
B.ad-Temperatur C	0,43
973

Prozentänderung der modifizierten Wanne

+ 2,1 %

+ 2,6 %

- 6,5 %

- 4,7 %

mittleres Badverhältnis 1,39

1,39

09827/0634

Aus diesen Werten ergibt sich, daß im Vergleich mit einer ähnlichen Reihe von Zellen, bei denen Anoden mit herkömmlicher Größe und Anordnung verwendet wurden, mit der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine

(a) 17 %ige Verringerung der Stromdichte

(b) 2,0 %ige Erhöhung des Stromwirkungsgrades,

(c) eine Steigerung des pro Wanne und Tag erzeugten Aluminiums von 15 kg oder 1,4 %,

(d) eine 6,l%ige Verringerung der Gleichstromkwh/kg Al, und '

(e) eine .4,4 %ige Verringerung des Netto-Kohlenstoffverhältnisses .

erreicht.wurden.

- Patentansprüche -

509827/0634

Claims

Patentansprüche

1. Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium mit einem Kathodenhohlraum und mehreren Anoden, die nach unten in den Hohlraum vorstehen, dadurch gekenn ze i chnet, daß die Anoden ( 12 ) so angeordnet sind, daß sich im wesentlichen um den gesamten Umfang des Kathodenhohlraums ( 10 ) ein minimaler freier Raum ergibt, und die Anoden ( 12 ) einen minimalen Abstand voneinander haben, wobei zur Beschickung mit Aluminiumoxid und anderen Zusätzen des Elektrolysebades an einer oder mehreren ausgewählten Stellen zwischen den Anoden ( 12 ) oder zwischen den Anoden ( 12 ) und den benachbarten Wänden der Zelle Elächert .freigelassen sind.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Querschnittsfläche der Anoden ( 12 ) nicht weniger als 85 % der Querschnittsflächen des Kathodenhohlraums ( 10 ) beträgt.

3. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden ( l6 ) in zwei Reihen in der Weise angeordnet sind, daß sich die Anoden ( l6, ) in jeder Reihe sehr nahe bei den Anoden ( ld ) in der anderen Reihe und sehr nahe bei der Seite des Kathodenhohlraums (x 10 ) befinden, wobei zur Beschickung, und Entnahme zwischen den beiden Anoden ( l6, ) an jedem Ende des Kathodenhohlraumes ( 10 ) ein zwischen den Anoden liegender Raum ( l8 ) vorgesehen ist.

509827/0634

. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anoden ( l6 ) einen rechteckigen Querschnitt und die gleichen Abmessungen haben, und daß außer bei den Endanoden die kürzeren Seiten der Anoden ( l6 ) parallel zu den längeren Seiten des Hohlraums ( 10 ) liegen, wahrend die kürzeren Seiten der Endanoden parallel zu den kürzeren Seiten des Kathodenhohlraumes ( 10 ) sind.

· Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden ( 12 ) in zwei Reihen in der Weise angeordnet..sind, daß die Anoden ( 12 ) in jeder Reihe- sehr- nahe TredL deir Airoden C 12 ) in der anderen Reihe und sehr nahe bei der Seite des Kathodenhohlraumes ( iO ) liegen, wobei auf wenigstens einer der längeren Seiten des Kathodenhohlraumes ( 10 ) zwischen wenigstens einer Anode ( 12 ) , die keine Endanöde ist, und der benachbarten Seite des Hohlraums ( 10 ) ein freier Raum ( 22 ) für die Beschickung und Entnahme vorgesehen ist.

. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum ( 22 ) , für die Beschickung und Entnahme auf jeder der längeren Seiten des Kathodenhohlraumes ( 10 ) vorgesehen ist, daß weiterhin alle Anoden ( 12 ) rechteckigen Querschnitt und die gleichen Abmessungen haben, und daß bis

509827/063 A

245993Q

die Anoden ( 12 ) in der Nähe der freien Räume für die Beschickung und Entnahme die kürzeren Seiten der Anoden parallel zu den längeren Seiten des Hohlraums ( 10 ) und die kürzeren Seiten der Anoden ( 12 ) in.der Nähe der freien Bäume ( 22 ) für die Beschickung und Entnahme parallel zu den kürzeren Seiten des Kathodenhohlraumes ( 10 ) sind.

509827/0634

ORIGINAL INSPECTED