DE1000156B - Zelle zur Herstellung von Aluminium hoher Reinheit - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die technische Erzeugung von Aluminium erfolgt durch die Schmelzflußelektrolyse, bei welcher eine etwa iooo⁰ C heiße Schmelze von Tonerde in Kryolith durch elektrischen Gleichstrom zerlegt wird. An der Kathode, die durch das mit Kohlenstoff ausgekleidete wannenförmige Ofenbecken gebildet wird, scheidet sich Aluminium in flüssiger Form ab und bildet eine Schicht auf dem Boden des Beckens unter der im Becken befindlichen Schmelze. Das erzeugte Metall wird in Abständen von 24 bis 48 Stunden aus dem Ofen entfernt; eine gleichbleibende Metallmenge läßt man jedoch aus verschiedenen Gründen im Ofen. Die Anode besteht aus Kohlenstoffblöcken, die von oben in die Schmelze eintauchen. Sie ist einem dauernden Verbrauch unterworfen und muß entsprechend ergänzt werden, weil an ihr Sauerstoff abgeschieden wird, der mit dem Kohlenstoff der Anode reagiert. Die Reaktionsprodukte, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd, entweichen aus dem Elektrolyseofen. Die in der Schmelze enthaltene Tonerde muß ebenfalls von Zeit zu Zeit ergänzt werden, da auch sie bei dem Elektrolyseprozeß verbraucht wird. Bezogen auf ein Gewichtsteil erzeugtes Aluminium werden bei der Elektrolyse theoretisch mindestens 1,89 Gewichtsteile Tonerde und 0,33 Gewichtsteile Anodenkohlenstoff verbraucht. In der Praxis sind diese Verbrauchszahlen größer infolge von Verlusten durch Verstaubung, Verflüchtigung, Stromausbeute, Nebenreaktionen usw. Bei den Anoden kann der Verbrauch in der Praxis z. B. zwischen 0,37 und 0,57 Gewichtsteilen Anodenkohlenstoff schwanken. Es entstehen auch geringere Verluste an Kryolith, etwa 0,05 Gewichtsteile. Bei der Elektrolyse gelangen praktisch alle Verunreinigungen der verbrauchten Stoffe in das erzeugte Aluminium. Die Aluminiumelektrolyse erfordert daher hohe Reinheit der Einsatzstoffe. Zur Erhöhung der Reinheit des erzeugten Aluminiums werden z. B. bereits die Vorstoffe zur Herstellung der Tonerde und der Anoden durch Anwendung von chemischen und physikalischen Verfahren gereinigt, um hochreine Einsatzstoffe für die Elektrolyse zu erhalten. Bei der notwendigen Bearbei tung der Schmelze in den Elektrolyseöfen werden eiserne Werkzeuge, wie Stangen und Haken, benutzt, die an ihrem mit der Schmelze oder dem Metall in Berührung kommenden Ende besonders dick sind, damit sie während der absichtlich kurz gehaltenen Anwendungszeit keine hohen Temperaturen annehmen, sondern unter dem Schmelzpunkt der Schmelze bleiben und somit einen Schutzüberzug von erstarrter Schmelze behalten. Diese und andere Maßnahmen führen bei Benutzung 'der bekannten reinsten Vorstoffe zu einem Metall von der Reinheit 99,7%· Aluminium. Die Verunreinigungen bestellen aus Eisen, Silizium und einer Reihe von Metallen in kleinen Mengen.

Zelle zur Herstellung von Aluminium
hoher Reinheit

Anmelder: Vereinigte Aluminium-Werke Aktiengesellschaft, Bonn, Am Nordbahnhof

Dipl.-Ing. Werner Helling, Grevenbroich (Ndrh.)
ist als Erfinder genannt worden

Eine weitere Steigerung der Reinheit des Aluminiums erfordert die Anwendung besonderer technischer Prozesse, z. B. der elektrolytischen Raffination. Dieses Verfahren führt zwar zu hohen Reinheiten, z.B. 99,99%, erhöht aber die Erzeugungskosten sehr stark. Andererseits hat das höchstreine Aluminium trotz hohen Preises wegen seiner besonderen technologischen Eigenschaften neue Anwendungsgebiete erschlossen, die dem zur Zeit reinsten durch einfache Elektrolyse gewonnenen Aluminium verschlossen bleiben. Eine Steigerung der Reinheit dieses Metalls ohne Anwendung der besonderen Raffinationsverfahren auch nur um 0,1 bis 0,2% wäre ein technischer Fortschritt, weil auch dann dem Metall schon wichtige, umfangreiche Anwendungsgebiete erschlossen werden könnten.

Diese erwünschte höhere Reinheit des durch Elektrolyse gewonnenen Aluminiums könnte z. B. durch weitere Verbesserung der Reinheit der Einsatzetoffe, Tonerde, Anoden und Kryolith, erreicht werden.

Jedoch ist dieser Weg nicht gangbar, weil eine weitere Erhöhung der Reinheit dieser Stoffe nur durch Anwendung kostspieliger Methoden und Apparaturen durchführbar wäre, die den Prozeß unwirtschaftlich machen würden.

Die vorliegende Erfindung erreicht die Erhöhung der Reinheit des erzeugten Aluminiums auf folgende Weise:

Die an der Anode entstehenden und aus der Elektrolysezelle entweichenden Gase Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd enthalten geringe, wechselnde Mengen von Eisen und Silizium, aber auch in Spuren Titan, Chrom, Vanadium und andere Metalle bzw. deren Verbindungen in gasförmigem oder festem Zustand (Rauch). Von diesen Stoffen verbleibt der größte Teil durch Zerfall oder Ablagerung im Elektrolyseofen.

Erfindungsgemäß wird die Entstehung und der Transport der genannten Gase bzw. Rauche begünstigt

und ihre Entfernung sowie die ftirer ZeriaWsprodukte. aus dem Bereich des Ofens durchgeführt, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Ofengase im Ofen bis zum Entweichen aus dem Ofen möglichst hoch gehalten, ihr Weg im Ofen verkürzt und die Gase bis zum Entweichen aus dem Ofen unter Überdruck gehalten werden. Diese Bedingungen werden durch besondere bauliche Maßnahmen bei der Konstruktion des Ofens erfüllt, indem die einzelnen Anoden, aus denen die Gesamtanode besteht, im Ofen mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind und eine geringe Breite von 200 bis maximal 700 mm haben. Ihre Länge soll dabei größer als 1400 mm sein. Die Strombelastung dieser Einzelanoden soll 10 000 Amp. nicht überschreiben, sondern etwa 5⁰⁰⁰ bis 8000 Amp. betragen. In den Zwischenräumen, die zu diesem Zweck nicht größer als etwa 150 mm, vorzugsweise etwa 50 bis 40 mm, breit gehalten werden, entstehen Kanäle geringen Querschnitts, da sich etwa 30 mm über dem Niveau der Schmelze eine Erstarrungskruste bildet, die den Kanal nach oben abschließt. Diese Kanäle sind gasdicht. An den Kopfseiten der Anoden werden diese Kanäle durch Durchstoßen der Schmelzkruste mittels Brechstangen od. dgl. beständig offengehalten, um den Gasen den Austritt in die Atmosphäre zu gestatten. Mit diesen Maßnahmen werden die an der Unterseite der Anode entstehenden Reaktionsgase einschließlich der darin enthaltenen oben beschriebenen Stoffe auf verhältnismäßig sehr kurzen Wegen, die maximal der halben Breite der Anode entsprechen, im Mittel aber wesentlich kürzer sind, in die zwischen den Anoden gebildeten Kanäle geleitet. In diesen Kanälen strömen die Gase mit hoher Geschwindigkeit und unter Druck zu den an den Kopfseiten der Anoden angeordneten Gasaustrittsstellen, die in der die gesamte Schmelzoberfläche bedeckenden Erstarrungskruste offen gehalten werden. Die in den Reaktionsgasen enthaltenen Stoffe werden durch diese Anordnung vor Zerfall und Ablagerung innerhalb des Ofens bewahrt, insbesondere auch dadurch, daß die Gase stets unter Überdruck stehen und nicht abgesaugt werden, wodurch eine Vermischung mit der atmosphärischen Luft vermieden wird.

Diese Kanäle, die sich zwischen den Anoden befinden, die ihre Seitenwandung bilden und deren. Bodenfläche durch die Oberfläche der flüssigen Schmelze gebildet wird, erhalten ihren oberen Abschluß beständig aufrecht, auch bei der langsamen, ihrem Verbrauch entsprechenden Bewegung der Anoden nach unten, da sie sich ohne Zutun mit einer nach oben abschließenden, erstarrten Schicht von Schmelze bedecken, die durch den Gasstrom beständig nach oben' getrieben wird. Dkse. abschließende Schicht bleibt auch trotz der Bewegung der Anode erhalten, da sie sich ständig selbsttätig erneuert.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Anoden mit einem verhältnismäßig kleinen Abstand voneinander besteht die Gefahr, daß die Oberfläche der Anoden oberhalb der Badkruste in den Zwischenräumen zwischen den Anoden durch den Luftabbrand sehr stark angegriffen und tiefgreifend zerstört werden, weil dort hohe Temperaturen auftreten, die durch den Abbrand noch gesteigert werden und oft helle Rotglut erreichen. Es ist daher zweckmäßig, den Luftabbrand an diesen Stellen zu verhindern. Als sehr wirksam haben sich zur Verhinderung des Luftabbrandes bei Elektrolyseöfen bereits vorgeschlagene Packungen bewährt, die durch Einstampfen pulverförmiger Stoffe in die Zwischenräume zwischen den Anoden hergestellt werden. Man wählt solche Stoffe aus, die für den Elektrolyt unschädlich sind und haltbare Packungen ergeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene die Abbildung, die eine Elektrolysenzelle beispielsweise und schematisch wiedergibt. Die Abbildung zeigt schematisch die Ofenbauweise. Hierin bedeutet ι Kathode, 2 abgeschiedenes Aluminium, 3 die Schmelze, 4 die schmalen Einzelanoden mit kleinen Zwischenräumen, 5 die Kruste aus erstarrter Schmelze, 6 die Packung zwischen den Anoden, 7 die sich bildenden Kanäle, in denen die sich an der Unterseite der Anoden durch den elektrolytischen Prozeß entstehenden Gase sammeln und nach außen geleitet werden; Pfeil 8 deutet den kurzen Weg der Gase zu den Kanälen an.

In der Zeichnung sind die für die Erfindung unwesentlichen Teile des Elektrolyseofens weggelassen worden, wie die Stromzuführungen, die Aufhängung der Anoden usw. Die Abbildung ist auch in der Hinsicht als Schema zu verstehen, als die Zahl von Anodenstreifen je nach Ofengröße in Wirklichkeit größer als dargestellt ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Zelle zur Herstellung von Aluminium hoher Reinheit durch Schmelzflußelektrolyse, gekennzeichnet durch Verwendung nebeneinander angeordneter vorgebrannter kontinuierlicher Anoden, wobei die einzelnen Anoden eine Breite von etwa 200 bis maximal 700 mm, eine Länge von über etwa 1400 mm, einen gegenseitigen Abstand unter etwa 150 mm, vorzugsweise 40 bis 50 mm, und eine Strombelastung von weniger als 10 000 Amp., vorzugsweise 5000 bis 8000 Amp., haben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen^

   © 609 739 12.56