Elektrolysewanne

Abstract

 Eine Elektrolysewanne für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse besteht aus einer äusseren Stahlwanne (12), einer wärmedämmenden Isolation und einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Innenauskleidung mit eisernen Kathodenbarren (32). Die Bodenisolation besteht mindestens teilweise aus einer mit mechanischen Mitteln verfestigten Schicht aus einem Granulat (14) aus gemahlenen Isolationsschichten. mit einer im wesentlichen zwischen 0,01 und 8 mm variierenden Korngrösse.
Die Seitenwände der Elektrolysewanne (10) enthalten bis höchstens 70% der Höhe (h) der Kathodenbarrenelemente (20) mechanisch verdichtetes Granulat (14) aus gemahlenen Isolationsschichten. Darüber ist die thermisch und elektrisch isolierte Stahlwanne (12) mit Randsteinen (24) ausgekleidet, und die Fuge (26) zwischen Randsteinen (24) und Bodenkohlenelementen (20) ist mit üblicher Stampfmasse verschlossen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrotysewanne für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, bestehend aus einer äusseren Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolation und einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Innenauskleidung mit eisernen Kathodenbarren, wobei die Bodenisolation mindestens teilweise aus einer mit mechanischen Mitteln verfestigten Schicht aus einem Granulat aus gemahlenen Isolationsschichten mit einer im wesentlichen zwischen 0,01 und 8 mm varierenden Komgrösse besteht

[0002] Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzffusselektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst die zum grössten Teil aus Kryolith besteht Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden 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. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO₂ und CO verbindet Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970°C statt.

[0003] Die durch den Elektrolyseprozess verbrauchte elektrische Energie kann in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:

-Produktions-bzw. Reduktionsenergie

-Verlustenergie

[0004] Der produktive Teil des Energieverbrauchs wird benötigt, um die Al³⁺-Kationen zu metallischem Aluminium zu reduzieren. Dieser produktive Teil des Energieverbrauchs kann also nicht vermindert werden.

[0005] Die Energieverluste dagegen können in verschiedene Komponenten aufgeteilt werden, die sich alle als Wärmeverluste an die Umgebung auswirken. Die beim Elektrolyseprozess erzeugte Wärme fliesst immer zu kälteren Teilen der Wanne, von dort entweicht sie an die Umgebung und zieht so Energie vom Produktionsverfahren ab. Diese Wärmeverluste können kontrolliert und müssen auf ein Minimum reduziert werden.

[0006] Durch die Verwendung von optimal geeigneten Materialien für die Stromleiter kann der Spannungsabfall und damit der Energieverlust im elektrischen Stromkreis auf ein Minimum reduziert werden.

[0007] Um die Wärme nicht oder nur in geringem Masse durch die Wanne entweichen zu lassen, ist deshalb schon seit langer Zeit ein Wärmeisolationsschicht innerhalb der äusseren Stahlwanne eingebettet worden. Ueblicherweise werden dabei Steine aus Diatomeenerde oder Molerstein verwendet Neue Molersteine haben vorzügliche Isolationseigenschaften, sie sind jedoch gegenüber den die Kohleauskleidung durchdringenden Badkomponenten sehr empfindlich. Deshalb wird oft die dem Bad am nächsten liegende Isolationsschicht aus weniger temperaturempfindlichen, elektrolytresistenten, aber auch schlechter isolierenden Schamottesteinen hergestellt Indem Steine aufeinander gestapelt werden, können sowohl die Seitenwände als auch der horizontale Wannenboden problemlos isoliert werden.

[0008] In der US-PS 4 052 288 wird vorgeschlagen, die Auskleidungen von verbrauchten Elektrolysezellen, also Kohleresten und Isolation, zu mahlen und dann mit einer stark alkalischen Lösung zu behandeln, wobei die Fluoride von Natrium und Aluminium entfernt werden. Dem Filtrat wird noch ein Binder, im allgemeinen Petrolpech, zugegeben und so eine Paste zur Auskleidung von neuen Elektro-Iysezellen hergestellt

[0009] In der EP-OS 0 063 547 wird eine Elektrolysewanne beschrieben, in welcher mindestens die unteren 80% der Bodenisolation aus einer verfestigten Vulkanascheschicht bestehen, die restliche Bodenisolation aus einer Leckbarriere, weiche die Vulkanasche gegen die die Kohleauskleidung durchdringenden Badkomponenten abschirmt

[0010] Aus der EP-OS, Publikations-Nummer 0 1₄2 459, ist bekannt, dass mindestens die unteren 75 % der Bodenisolation aus einer mit mechanischen Mitteln verfestigten Schicht aus einem Granulat mit einer im wesentlichen zwischen 0 und 8 mm variierenden Komgrösse hergestellt sein können. Dieses Granulat enthält die vollständig gemahlenen, sonst jedoch unbehandelten Isolationsschichten -ohne die vor dem Mahlen mechanisch aussortierten Kohlereste - von ersetzten Elektrolysewannen. Die restlichen 0 bis 25 % der Bodenisolation werden aus einer Lage Schamottesteinen, gemahlenen Schamottesteinen und/oder Hüttentonerde gebildet Die Seitenwände der Stahlwanne sind ausschliesslich mit Schamottesteinen isoliert

[0011] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine Elektrolysewanne für-die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse zu schaffen, bei welcher die Herstellungskosten für die thermische Isolation weiter gesenkt werden können, ohne dass die Qualität der Wanne in bezug auf Wärmeisolation und Lebensdauer darunter leidet

[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Seitenwände der Wanne bis 70 % der Höhe der Kathodenbarrenelemente mechanisch verdichtetes Granulat aus gemahlenen Isolationsschichten, darüber die thermisch und elektrisch isolierte Stahlwanne auskleidende Randsteine und die Fuge zwischen Randsteinen und Bodenkohlenelementen verschliessende, übliche Stampfmasse, enthalten.

[0013] Bevorzugt enthalten die Seitenwände der Elektrolysewanne bis höchstens zum Niveau der Oberkanten bzw. der obersten Mantellinie der eisemen Kathodenbarren mechanisch verdichtetes Granulat

[0014] Falls die Bodenkohlenenelemente aus amorphem Kohlenstoff, Semigraphit oder Graphit in der Elektrolysewanne in seitlichem Abstand angeordnet und in die Fugen nach konventionellen Methoden eine dem Fachmann wohlbekannte Fugenstampfmasse eingesetzt ist, können nach einer Weiterbildung der Erfindung höchstens die unteren 70 % durch mechanisch verfestigtes Granulat aus gemahlenen Isolationsschichten ersetzt sein. Darüber ist die warm oder kalt eingebrachte, kohlenstoffhaltige Fugenstampfmasse eingebracht, welche beim Anfahren der Elektrolysezelle kalziniert wird.

[0015] Die Komgrösse des gemahlenen Granulats liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und ₄ mm.

[0016] Wenn eine Elektrolysewanne ersetzt werden muss, wird die Auskleidung herausgebrochen und in den meisten Fällen verworfen. Beim Einsatz von Tonerde als Isolationsmittel ist es möglich, Aluminiumoxid aus der Bodenisolation zu rezyklieren, falls in der Hütte die notwendigen Einrichtungen vorhanden sind.

[0017] Der Einsatz von Molersteinen und Tonerde als Isolationsmittel stellt für eine Aluminiumhütte einen beträchtlichen Kostenfaktor dar, weil beide Materialien teuer sind. In bekannten Elektrolysewannen werden im allgemeinen Bodenisolationen von drei Schichten Molersteinen und einer Schicht von gegen den Schmelzfluss besser beständigen, aber teureren Schamottesteinen hergestellt

[0018] Zur Herstellung des Granulats werden diese vier Steinschichten aus der zu ersetzenden Elektrolysewanne herausgebrochen und durch Mahlen aufbereitet. Allfällige Kohlestücke werden vorher mechanisch aussortiert, ebenso die grösseren Stücke von erstarrtem Aluminium. Das'gemahlene, jedoch keiner weiteren Behandlung unterworfene Granulat besteht somit hauptsächlich aus Molersteinen, zum geringeren Teil aus Schamotte, und kann auch kleinere Einschlüsse von Aluminium haben.

[0019] Das Granulat kann jedoch auch aus Elektrolysewannen stammen, deren Isolation bereits gemahlene Granulate enthält oder daraus besteht. Bei mehrmaliger Verwendung des Granulats wird eine zu ersetzende Elektrolysewanne vorerst demontiert, bis das mechanisch verfestigte Granulat der Bodenisolation offen daliegt. Ist diese noch gut, wird die Elektrolysewanne ohne weitere Verfahrensschritte mit der seitlichen Isolation wieder aufgebaut. Allfällige Agglomerationen werden mechanisch zerkleinert, zweckmässig durch Mahlen. Dabei werden grössere Stücke von Kohlenstoff und/oder Aluminium entfernt.

[0020] Das Aufbereiten des Granulats kann auch in situ, d.h. an Ort und Stelle in der Elektrolysewanne, erfolgen, indem beispielsweise ein Vibrierschlitten bis zu 20 Mal hin-und hergeführt wird.

[0021] Ausserhalb der Wanne aufbereitetes Granulat wird trocken in die Zelle eingeschüttet und dann beispielsweise durch Stampfen und/oder Vibrieren mechanisch verdichtet. Nasses Granulat wird vorher zweckmässig getrocknet.

[0022] Die Höhe der verfestigten Granulatschicht der Bodenisolation beträgt bevorzugt 250-400 mm. Der oberste, 0-25 % der Gesamthöhe der Bodenisolation entsprechende Bereich kann zweckmässig aus einer Schicht von Schamottesteinen, gemahlenen Schamottesteinen und/oder Hüttentonerde bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann der unterste, ebenfalls 0-25 % der Gesamthöhe der Bodenisolation entsprechende Bereich aus Moler-oder Skamolexsteinen bestehen. Skamolex ist ein Isolierstein der dänischen Firma SKAMOL.

[0023] Zum besseren Schutz der verfestigten Granulatschicht der Bodenisolation gegen die durch die Kohleauskleidung hindurchgedrungenen Schmelzflusskomponenten kann mit Vorteil zusätzlich eine Stahlfolie bzw. ein Stahlblech, die/das zweckmässig mit einer undurchlässigen, flexiblen Graphitmembran verbunden ist (vgl. beispielsweise TMS Paper No. LM 78/19 bzw. DE-OS 28 17 202), auf das Granulat gelegt werden. Die Stahlfolie bzw. das Stahlblech, ggf. mit der Graphitfolie, wirkt als Flusssperre.

[0024] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Die schematischen vertikalen Teilschnitte zeigen in

Fig. ₁ eine Elektrolysewanne in deren Querrichtung

Fig. 2 mittels einer Stampfmasse verbundene Bodenkohlenelemente in Wannenlängsrichtung

Fig. 3 eine Bodenisolation

Fig. 4 eine mit einer Graphitfolie beschichtete Stahlfolie.

[0025] Die in Fig. 1 dargestellte Elektrolysewanne 10 hat eine äussere Stahlwanne 12, in welche mechanisch verdichtetes, gemahlenes Granulat 14 von Wannenausbrüchen eingebettet ist. Auf diesem Granulat ist eine Lage von Schamottesteinen 16 angeordnet, die von 5-10 mm Schamottekörnung 18 bedeckt ist. Granulat 1₄, Schamottesteine 16 und Schamottekörnung ₁8 bilden die Bodenisolation.

[0026] Die Bodenkohlenelemente 20 liegen horizontal auf der Schamottekörnung 18, sie haben eine Höhe h. Mit der gestrichelten Linie 22 ist das Niveau der Oberkanten bzw. obersten Mantellinie der eisernen Kathodenbarren angedeutet, welche im Schnitt nicht sichtbar sind.

[0027] Mit der Seitenwand der StahlWanne 12 ist der Randstein 24 (Kohlenstoff oder Siliziumkarbid) über eine elektrische und thermische Isolationsschicht 25 aus Schamotteplättchen oder Siliziumkarbid-Mörtel verbunden, der im vorliegenden Fall aus Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid besteht und bis
in den Bereich unterhalb der Bodenkohlenelemente 20 hinunterreicht. Der Randstein 24 ist auf eine Lage von Schamottesteinen 16 abgestützt.

[0028] Die 20-25 cm breite Fuge 26 zwischen dem Randstein 24 und den Bodenkohlenelementen 20 ist bis zum Niveau 22 der Oberkanten bzw. obersten Mantellinie der eisernen Kathodenbarren mit dem Granulat 14 der Bodenisolation gefüllt und mechanisch verdichtet. Darüber ist eine übliche Fugenstampfmasse 28 angeordnet, welche das Granulat 14 vor dem schädigenden Angriff durch den in der Elektrolysewanne 10 enthaltenen Schmelzfluss schützt.

[0029] Selbstverständlich kann der seitliche Bereich mit weiteren, in Fig. 1 nicht dargestellten Isolationsmaterialien ausgestattet sein.

[0030] Nach der Ausführungsform von Fig. 2 sind die Bodenkohlenelemente 20 der Höhe h im Abstand angeordnet und direkt auf die hier ausschliesslich aus dem Granulat 14 bestehende Bodenisolation gelegt Die Fugen 30 zwischen den Bodenkohlenelementen 20 sind bis zum Niveau 22 der Oberkanten der eisernen Kathodenbarren 32 mit dem mechanisch verdichteten Granulat 14 wie die Bodenisolation gefüllt. Darüber ist die übliche Fugenstampfmasse 28 angeordnet.

[0031] Die in Fig. 3 dargestellte Bodenisolation der gesamten Höhe b trägt die Bodenkohlenelemente 20, welche auf einer etwa 20 mm dicken Schamottekörnung 18 aufliegen. Darunter ist das mechanisch verdichtete Granulat 14 aus gemahlenen Isolationsschichten, welches den Hauptbestandteil der Bodenisolation bildet, angeordnet. Der unterste Teil der Bodenisolation besteht aus einer Schicht von Molersteinen 34. Diese haben wohl ausgezeichnete thermische Isolationseigenschaften, sie sind aber nicht sehr elektrolytbeständig. Die ganze Bodenisolation ist von der Stahlwanne 12 gestützt.

[0032] Fig. 4 schliesslich zeigt eine Stahlfolie 36, die mit einer Graphitmembran 38 beschichtet ist und für den Einsatz als Flusssperre direkt oberhalb des mechanisch verfestigten Granulats 14 geeignet ist.

[0033] Eine Elektrolysewanne mit der erfindungsgemässen Isolationweist folgende Vorteile auf:

-Gegenüber konventionellen Elektrolysezellen mit Isolationen aus Moler-und Schamottesteinen wird eine erhebliche Kosteneinsparung erzielt.

-Der Steinausbruch aus zu ersetzenden Zellen kann weitgehend verwendet werden.

-Beim Auslegen mit Granulat wird beträchtlich an Arbeitszeit eingespart.

-Die gemahlenen Granulate sind an Fluoriden gesättigt, weshalb sie im Betrieb weniger Fluoride aufnehmen. Dadurch wird der Kryolith-und AIF,-Verbrauch geringer.

-Es müssen keine neuen Steine zugeschnitten werden.

-Die Fahrt in die Deponie und die stets höher werdenden Deponiekosten entfallen- Deponien für Steinausbrüche müssen unten mit Kalziumverbindungen abgedichtet sein.

-Aus dem Hüttengelände kann die Lagerhaltung reduziert werden.

-Die Fluss-und Metalldurchdringungsmöglichkeiten in der Isolationsschicht sind geringer, weil keine Fugen vorhanden sind, das Schamotte-und Molermaterial vermischt ist und die Ecken und Unebenheiten besser ausgefüllt sind.

[0034] Temperaturmessungen bei seit längerer Zeit in Betrieb befindlichen Elektrolysezellen haben gezeigt, dass die Böden und Aussenwände von Elektrolysewannen mit erfindungsgemässen Isolationsschichten keine höheren Temperaturen anzeigen als diejenigen von Wannen mit konventionell zugestellten Isolationsschichten. Daher ist die Wärmeisolation mindestens als gleich gut zu bezeichnen.

Ansprüche

1. Elektrolysewanne für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, bestehend aus einer äusseren Stahlwanne (12), einer wärmedämmenden Isolation und einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Innenauskleidung mit eisemen Kathodenbarren (32), wobei die Bodenisolation mindestens teilweise aus einer mit mechanischen Mitteln verfestigten Schicht aus einem Granulat (14) aus gemahlenen Isolationsschichten mit einer im wesentlichen zwischen 0,01 und 8 mm variierenden Komgrösse besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenwände der Wanne (10) bis höchstens 70 % der Höhe (h) der Kathodenbarrenelemente (20) mechanisch verdichtetes Granulat (14) aus gemahlenen Isolationsschichten, darüber thermisch und elektrisch isolierte die Stahlwanne (12) auskleidende Randsteine (24) und die Fuge (26) zwischen Randsteinen (24) und Bodenkohlenelementen (20) verschliessende, übliche Stampfmasse (28) enthalten.

2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände der Wanne (10) bis höchstens zum Niveau (22) der Oberkanten bzw. obersten Mantellinie der eisernen Kathodenbarren (32) Granulat (₁4) enthalten.

3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Fugen (30) zwischen den in seitlichem Abstand angeordneten Bodenkohlenelementen - (20) auf höchstens 70% ihrer Höhe mechanisch verdichtetes Granulat (14) aus gemahlenen Isolationsschichten, darüber übliche Fugenstampfmasse (28) angeordnet ist

4. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Granulat - (14) hauptsächlich aus Molersteinen, zum kleineren Teil aus Schamotte, je nach dem Isolationsmaterial der zu ersetzenden Elektrolysewanne/n (10), und geringen Einschlüssen aus Aluminium besteht

5. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (14) aus aufbereitetem Granulat einer demontierten Wanne besteht, vorzugsweise in situ aufbereitet.

6. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stahlwanne - (12) und den Randsteinen (24) eine Isolationsschicht (25) angeordnet ist, welche vorzugsweise aus Schamotteplättchen oder Siliziumkarbid-Mörtel besteht

7. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Randsteine - (24) eine Schicht aus Schamottesteinen (16) angeordnet ist

8. Élektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oberste, 0-25% der Gesamthöhe der Bodenisolation entsprechende Bereich aus einer Lage Schamottesteinen (16), einer Schamottekömung (₁8) und/oder Hüttentonerde besteht

9. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der unterste, 0-25% der Gesamthöhe der Bodenisolation entsprechende Bereich aus Moler-und/oder Skamolexsteinen (3₄) besteht

Zeichnung