ELECTROLYTIC POT FOR THE PRODUCTION OF ALUMINIUM BY ELECTROLYSIS IN THE DRY WAY, AND METHOD OF INSERTING THE IRON BARS

Abstract: 1. A reduction pot for the production of aluminium by means of fusion electrolysis, consisting of an outer steel shell, a thermally insulating layer and an electrically conductive inner lining which is resistant to the molten charge and is made up of carbon blocks (10) running in the transverse direction and having running in their longitudinal direction grooves (14) which are open downwards and extend over at least 20% of the length - starting from the two endfaces - and in which are inserted solid iron bars (12) which project downwards out of the bottom face and on both sides out of the endfaces of the carbon blocks, where part of the weight of the carbon blocks (10) is borne approximately uniformly by all of the iron bars (12) projecting out of their bottom faces, characterized in that the grooves (14) in the carbon blocks (10) have cross-sections which at a temperature between 500 and 850 degrees C correspond exactly with the cross-section of the iron bars (12) heated to the same temperature.

Description: Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse und Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse, bestehend aus einer äusseren Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolationsschicht und einer elektrisch leitenden, gegen das schmelzflüssige Material beständigen Innenauskleidung aus in Querrichtung verlaufenden Kohlenstoffblöcken mit eingesetzten, beidseitig aus deren Stirnseiten herausragenden massiven Eisenbarren, sowie auf ein Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren. Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch ab gescbiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. Durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids entsteht Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970"C statt Die Innenauskleidung von Elektrolysewannen besteht aus Kohlenstoffblöcken, in welchen mindestens ein durchgehender oder in der Mitte getrennte Eisenbarren angeordnet ist. Um zu einem möglichst geringen Spannungsabfall der Zelle bei zutragen, muss der elektrische Uebergangswiderstand zwischen Eisenbarren und Kohlenstoffblock möglichst klein sein. Dem Fachmann sind verschiedene Arten zur Verbindung von Kohlenstoffblock und Eisenbarren bekannt, beispielsweise - Einstampfen mit einer Stampfmasse - Eingiessen mit Gusseisen - Einkleben. Die Kohlenstoffblöcke und die Eisenbarren finden sich in herkömmlichen Elektrolysewannen in verschiedensten Dimensionen in bezug auf Länge, Breite und Höhe sowie Nutformen. Beim Erstellen der Verbindung zwischen Kohlenstoffblock und Eisenbarren ist heute die Technik des Eingiessens weit verbreitet. Die in die Nut des Kohlenstoffblockes eingelegten Eisenbarren werden durch Umgiessen mit Gusseisen mit dem Kohlenstoff verbunden. Eisenbarren und Kohlenstoffblock werden gemeinsam vorgewärmt und nach dem Eingiessen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Da die Wärmedehnung bzw. -kontraktion von Eisen ungefähr viermal grösser ist als diejenige von Kohlenstoff, entsteht bei der Abkühlung zwischen Kohlenstoff und Gusseisen ein Spalt. Ist der mit einem Eisenbarren versehene Kohlenstoffblock in eine Elektrolysezelle eingebaut, so schliesst sich dieser Spalt erst während des Temperaturanstiegs bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle, womit der elektrische und mechanische Kontakt zwischen Eisen und Kohlenstoff verbessert wird. Wird der durch die Kontraktion gebildete Spalt vor dem Erreichen der Arbeitstemperatur geschlossen, so kann der sich schneller ausdehnende Eisenbarren derart stark auf die Kohle der Kathodenelemente einwirken, dass in der Kathode Risse entstehen können. Das Gusseisen weist den Nachteil auf, dass es eine verhältnismässig niedrige elektrische Leitfähigkeit hat. Weiter ist bei üblichen eingegossenen Eisenbarren der Anpressdruck im in Arbeitsposition obersten Bereich des Barrens oft ungenügend, so dass er nicht ausreicht, den erwünschten niedrigen elektrischen Uebergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen herzustellen. In diesem Fall fliesst der elektrische Strom nicht auf dem kürzesten Weg durch den Kohlenstoffboden der Elektrolysewanne, sondern macht einen Umweg, indem er nicht in die Deckfläche, sondern in die Seitenflächen des Eisenbarrens eintritt. Die beiden erwähnten Faktoren können einen Spannungsabfall, z.B. bis zu 0,1 Volt bewirken, was sich in der Energiebilanz der Elektrolysezelle negativ niederschlägt. Schon vor einiger Zeit ist deshalb, wie im J. Electrochemical Technology, Vol. 5, No. 3-4 (1967), Seiten 152-154, beschrieben, versucht worden, einen Eisenbarren direkt mit dem Kohlenstoffblock in Verbindung zu bringen. Im Kohlenstoffblock wird ein dem Eisenbarren entsprechendes Loch ausgespart und dieser ohne Stampf-, Guss- oder Klebemasse hineingesteckt. Da aber in der ver hältnismässig langen Zwischenzeit keine Schmelzflusselektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium, die nach diesem Prinzip gebaut sind, bekannt geworden sind, hat sich das Verfahren offensichtlich nicht bewährt. Nach dieser Publikation müsste der Eisenbarren bei Arbeitstemperatur satt an den Kohlenstoff anschliessen. In der Praxis lässt sich dies kaum durchführen. Während des Elektrolyseprozesses ist bei kleinsten Ungenauigkeiten entweder der elektrische Uebergangswiderstand vom Graphit zum Eisen zu gross oder es entstehen im Graphitblock Risse, welche die Lebensdauer der Elektrolysewanne in untragbarem Masse erniedrigen. Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, die erwähnten Nachteile des Eingiessens von Eisenbarren in Kohlenstoffblöcke zu vermeiden, ohne die Lebensdauer der Elektrolysewanne zu beeinträchtigen, hingegen den Uebergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisenbarren zu verkleinern. Die Aufgabe wird in bezug auf die Elektrolysewanne erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass - in jedem Kohlenstoffblock in dessen Längsrichtung über mindestens 20% der Länge, ausgehend von beiden Stirn seiten, in Arbeitsposition nach unten offene Nuten ausgespart sind, die in bezug auf den Querschnitt bei 500-850"C exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Tempe ratur erwärmten Eisenbarren entsprechen, - die in die Nuten eingesetzten, sich über mindestens 20% der Länge des Kohlenstoffblocks, ausgehend von den Stirnseiten, erstreckenden Eisenbarren während des Elektrolyseprozesses entlang der ganzen unteren Seiten fläche bzw. Mantel linie aus dem Kohlenstoffblock her ausragen, und - ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffblöcke ungefähr gleichmässig auf allen Eisenbarren abgestützt ist. Versuche haben gezeigt, dass sich die Nut, bei üblichen Dimensionen von Kohlenstoffblock und Eisenbarren, an deren unteren Oeffnung um ungefähr 1 mm spreizen lässt, bevor die Rissbildung im Kohlenstoff einsetzt oder gar ein Kohlenstofflappen abbricht. Eine gewisse Elastizität der Kohlenstoffblöcke ist beim Verankern der Eisenbarren ohne Eingiessen von wesentlicher Bedeutung. Dies soll anhand der bevorzugten Temperatur von etwa 700"C gezeigt werden: Bei dieser Temperatur haben die Nut und der darin eingesetzte Eisenbarren exakt den gleichen Querschnitt, d.h. der Eisenbarren liegt entlang seines ganzen Umfangs satt auf dem Kohlenstoff, jedoch ohne darauf einen Druck auszuüben. Bei höheren Temperaturen, über 700"C, beispielsweise bei der Aluminiumelektrolyse-Temperatur von 940-970"C, drückt der Eisenbarren auf den Kohlenstoff. Dank der Elastizität der sich spreizenden Kohlenstofflappen entstehen jedoch keine Risse, wie dies bei der Ausbildung eines Loches statt einer Nut der Fall wäre. Ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffauskleidung ist ungefähr gleichmässig auf die aus den Kohlenstoffblöcken herausragenden Eisenbarren verteilt. Dadurch drücken diese Eisenbarren in Arbeitsposition auf den entsprechend geformten oberen Bereich der Nut, auch wenn der Querschnitt des Eisenbarrens kleiner als derjenige der Nut ist. Dieser (lä chendruck hat zur Folge, dass ein möglichst kleiner Uebergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen in jenem Bereich entsteht, der dem die Kathode der Elektrolysezelle bildenden flüssigen Aluminium am meisten benachbart ist. Der Der Spannungsabfall wird also in bezug auf zwei Faktoren minimalisiert: - Uebergangswiderstand Kohlenstoff - Eisen - Spannungsabfall in der Kohlenstoffauskleidung der Elek trolysewanne. Die Eisenbarren können sich auf an sich bekannte Weise über die gesamte Länge der Kohlenstoffblöcke erstrecken oder in der Mitte, mit kleinerem oder grösserem Abstand, durchtrennt sein. Es ist bekannt, dass bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminium der grösste Teil des elektrischen Stromes im äusseren Bereich der Eisenbarren der Elektrolysewanne abfliesst. Es genügt deshalb, wenn die Eisenbarren von beiden Stirnseiten der Kohlenstoffblöcke her bis mindestens je 20% in bezug auf die Länge der Kohlenstoffblöcke zur Wannenmitte hin ausgebildet sind. Im Zentrum der Kohlenstoffblöcke können die Eisenbarren folglich bis zu 60% der Länge der Blöcke getrennt sein. Die Nuten können sich über die gesamte Länge des Rohlenstoffblockes oder über einen den Eisenbarren entsprechenden Teil davon erstrecken, wobei die Stirnwände von Eisenbarren und Nut durch einen vorzugsweise 0,5-1 cm breiten Hohlraum getrennt sind. Die vorzugsweise etwa 0,5-1,5 cm aus der Bodenfläche der Kohlenstoffblöcke herausragenden Eisenbarren und die entsprechend ausgesparte Nut können jede zweckmässige geometrische Form haben. Bevorzugt haben jedoch Eisenbarren und entsprechende Nut, mindestens in ihrem in bezug auf die Arbeitsposition oberen Bereich, abgerundete Querschnitte. Dies bringt den wesentlichen Vorteil, dass beim Spreizen der den Eisenbarren seitlich umgebenden Lappen des Kohlenstoffblocks die Kerbwirkung herabgesetzt wird, d.h. bei im oberen Bereich abgerundeten Nuten setzt die Rissbildung erst bei grösserem Druck durch den Eisenbarren ein, als dies bei eckig ausgebildeten Nuten der Fall wäre. Insbesondere Eisenbarren mit kreisrundem Querschnitt und entsprechend geformte Nuten sind vorteilhaft, weil - runde Barren die kleinste Oberfläche bei konstantem Querschnitt haben, was gleiche elektrische Leitfähig keit bei geringeren Wärmeverlusten bedeutet, - die Festigkeit des Blockes wesentlich erhöht wird, da keine Kerbwirkung vorhanden ist, - wegen des höheren maximalen Anpressdrucks der elektri sche Kontaktwiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen ver ringert werden kann, - aus der Stahlwanne einfache runde Barrenfenster ausge spart werden können, die mit vorfabrizierten Materiali en leicht zu verdichten sind, und - die Fertigung der Barren besonders einfach ist. Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens zum Einsetzen der Eisenbarren in einer Elektrolysewanne mit entsprechend ausgesparten in Arbeitsposition nach unten offenen Nuten besteht darin, dass die Eisenbarren durch Barrenfenster in der Stahlwanne bei Umgebungstemperatur in den Innenraum der Elektrolysewanne geschoben werden. Zweckmässig haben diese Barrenfenster die gleiche geometrische Form wie der Querschnitt der Eisenbarren. Vorzugsweise sind diese Barrenfenster nur wenig, insbesondere 0,5-2 cm, grösser als die linearen Dimensionen der Eisenbarrenquerschnitte, d.h. die Eisenbarren werden mit nur wenig Spiel durch die Barrenfenster in das Wanneninnere geffirE diesem Fall sind die Fugen einfach abdichtbar. Sind die Eisenbarren mindestens im unteren Bereich rechteckig oder sich nach oben verjüngend ausgebildet, so können sie, entsprechend den ausgeformten Nuten, auf die Isolationsschicht gelegt werden. Anschliessend wird der Kohlenstoffblock auf sie abgesenkt. Bevorzugt werden jedoch bei allen Barrenquerschnitten, bei im Querschnitt runden Eisenbarren ist dies aus geometrischen Gründen meist notwendig, die Kohlenstoffblöcke bis wenig, beispielsweise etwa 0,5-2,5 cm, über die Isolationsschicht abgesenkt, dann die Eisenbarren in die Nuten geschoben, und schliesslich die Kohlenstoffblöcke vollständig abgesenkt. Diese liegen nun auf den Eisenbarren, die aus den Nuten herausragen. Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Kohlenstoffblock mit zwei Eisenbarren in Arbeitsposition, jedoch vor dem vollständigen Absenken. Der im Querschnitt rechteckige Kohlenstoffblock 10 enthält die parallel in Längsrichtung verlaufenden runden Eisenbar-- ren 12 in entsprechend ausgeformten, nach unten teilweise offenen Nuten 14. Je zwei Lappen 16 des Kohlenstoffblocks 10 umfassen die Eisenbarren 12 U-förmig. Wenn die Eisenbarren 12 bei Arbeitstemperatur einen Druck auf den Kohlenstoffblock 10 ausüben, wird dieser aufgefangen, indem die Lappen 16 entsprechend auseinander gespreizt werden. Die Kanten 18 dieser Lappen 16 sind bevorzugt abgerundet oder abgeschnitten. Nach dem vollständigen Absenken liegt der in die Elektrolysewanne eingesetzte Kohlenstoffblock 10 entlang der Mantellinien 20 der Eisenbarren 12 auf der nicht gezeichneten Isolationsschicht. Dadurch werden die Eisenbarren 12 in ihrem oberen Bereich flächenförmig auf den entsprechenden Bereich der Nuten 14 gedrückt, der Uebergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen ist dadurch minimal. Der elektrische Gleichstrom kann auf direktem Weg von der Deckfläche des Kohlenstoffblocks 10 und mit geringem Uebergangswiderstand in Richtung der Pfeile zum Eisenbarren 12 fliessen. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: - Die Eisenbarren müssen nicht mehr eingegossen, einge klebt oder eingestampft werden, sondern können einfach durch Barrenfenster in eine entsprechende, nach unten offene Nut des Kohlenstoffblocks eingeschoben werden. Das bedeutet Ersparnisse in bezug auf Energie, Materi al, Zeitaufwand, Equipment und Werkstatt. - Der Kohlenstoffblock ist nicht mehr den Gefahren des Eingiessens ausgesetzt, die beim Transport, Vorwärmen, Eingiessen und Manipulieren auftreten. - Der Spannungsabfall des Elektrolyseprozesses im katho dischen Teil kann bis zu 0,1 Volt vermindert werden.

Claims: Patentansprüche 1. Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse, bestehend aus einer äusseren Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolationsschicht und einer elektrisch leitenden, gegen das schmelzflüssige Material beständigen Innenauskleidung aus in Querricht ung verlaufenden Kohlenstoffblöcken mit eingesetzten, beidseitig aus deren Stirnseiten herausragenden massiv en Eisenbarren, dadurch gekennzeichnet, dass - in jedem Kohlenstoffblock (10) in dessen Längsrich tung über mindestens 20% der Länge, ausgehend von beiden Stirnseiten, in Arbeitsposition nach unten of fene Nuten (14) ausgespart sind, die in bezug auf den Querschnitt bei 500-850"C exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Eisenbarren (12) entsprechen, - die in die Nuten (14) eingesetzten sich über minde stens 20% der Länge des Kohlenstoffblocks, ausgehend von den Stirnseiten, erstreckenden Eisenbarren (12) während des Elektrolyseprozesses entlang der ganzen unteren Seitenfläche bzw. Mantellinie (20) aus dem Kohlenstoffblock (10) herausragen und - ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffblöcke (1C) ungefähr gleichmässig auf allen Eisenbarren (12) abgestützt ist. 2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Querschnitt der Nuten (14) in den auf et wa 700"C erwärmten Kohlenstoffblöcken (10) exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Ei senbarren (12) entspricht. 3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Eisenbarren (12) während des Elektrolyseprozesses 0,5-1,5 cm aus der Bodenfläche der Kohlenstoffblöcke (10) herausragen. 4. Elektrolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) in den Kohlenstoffblöcken (10) und die entsprechenden Eisen barren (12) mindestens in ihrem - in bezug auf die Ar beitsposition - oberen Bereich abgerundete Quer schnitte haben. 5. Elektrolysewanne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass der Querschnitt von Nuten (14) und Eisenbar ren (12) kreisrund ist. 6. Elektrolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrenfenster in der Stahlwanne die gleiche geometrische Form wie der Querschnitt der Eisenbarren (12) haben. 7. Elektrolysewanne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass die Barrenfenster nur wenig, vorzugsweise 0,5-2 cm grösser sind als die linearen Dimensionen der Eisenbarrenquerschnitte. 8. Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren in einer Elek trolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbarren (12) durch Barrenfenster in der Stahlwanne bei Umgebungstemperatur in den Innenraum der Elektrolysewanne geschoben werden. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei im unteren Teil rechteckigen oder sich nacn oben verjüngenden Eisenbarren (12) die Kohlenstoffblöcke (10) auf die entsprechend den Nuten (14) angeordneten Eisenbarren (12) abgesenkt werden. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffblöcke (10) vorerst bis wenig, vorzugs weise etwa 0,5-2,5 cm, über die Isolationsschicht abge senkt, dann die Eisenbarren (12) in die Nuten (14) ge schoben, und schliesslich die Kohlenstoffblöcke (10) vollständig abgesenkt werden.

Inventors: JEMEC, RAOUL
Applicants: SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
Application year: 1982
Main classification: C25C3
IPC codes: C25C3