DE60000721T2

DE60000721T2 - Anordnung von elektrolysezellen für die herstellung von aluminium

Info

Publication number: DE60000721T2
Application number: DE60000721T
Authority: DE
Inventors: Jacques Colin De Verdiere; Jean-Marie Gaillard; Pierre Homsi
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: NO20013714D0; EG21884A; BR0007986A; NO20013714L; FR2789407B1; DE60000721D1; AR022463A1; RU2227179C2; CA2361671A1; AU2301000A; EP1155167A1; US6551473B1; GC0000125A; ZA200105654B; AU764224B2; WO2000046429A1; EP1155167B1; FR2789407A1; NZ512913A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Hall-Héroult-Verfahren und insbesondere die Methoden und Mittel zu seiner großtechnischen Durchführung. Die Erfindung betrifft ganz besonders die quer angeordneten Reihen von Elektrolysezellen, d. h. deren Langseiten quer zur Achse der Reihe verlaufen.

Stand der Technik

Metallisches Aluminium wird großtechnisch nach dem allgemein bekannten Hall- Héroult-Verfahren durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt, d. h. durch Elektrolyse von Tonerde, die in geschmolzenem Kryolith, dem sog. Elektrolysebad, gelöst ist. Das Elektrolysebad ist in einer Zelle enthalten, die eine innen mit feuerfestem und/oder isolierendem Material ausgekleidete Stahlwanne und ein am Boden der Zelle angeordnetes Kathodensystem aufweist. Anoden aus Kohlenstoffmaterial sind teilweise in das Elektrolysebad eingetaucht. Die Wanne und die Anoden bilden die sog. Elektrolysezelle. Der Elektrolysestrom, der über die Anoden und Kathodenelemente durch das Elektrolysebad und das flüssige Aluminium fließt, bewirkt die Reduktionsreaktionen der Tonerde und ermöglicht es auch, das Elektrolysebad durch Joule-Effekt auf einer Temperatur von etwa 950ºC zu halten.
Im Hinblick auf die Rentabilität eines Werkes sucht man zum einen die Investitions- und Betriebskosten zu reduzieren und zum anderen möglichst hohe Stromstärken und Faradaysche Wirkungsgrade zu erreichen und dabei die Betriebsbedingungen der Elektrolysezellen zu sichern oder sogar zu verbessern.
Zu diesem Zweck haben moderne Werke eine große Anzahl Elektrolysezellen, die in sog. Elektrolysehallen in Reihe angeordnet und mit Hilfe von Verbindungsleitern in Serie geschaltet sind, um die Flächennutzung der Werke zu optimieren. Die Zellen, die praktisch immer eine rechteckige Form haben, sind in der Regel nebeneinander angeordnet, d. h. dass die Längsseiten senkrecht zur Achse der Reihe verlaufen (man sagt auch, dass sie "quer" ausgerichtet sind), sie können aber auch übereinander angeordnet sein (man sagt auch, dass sie "längs" ausgerichtet sind). Die Zellen sind gewöhnlich so angeordnet, dass sie zwei oder mehrere parallele Reihen bilden, die durch endseitige Leiter elektrisch miteinander verbunden sind. Der Elektrolysestrom fließt somit kaskadenartig von einer Zelle zur anderen. Länge und Masse der Leiter sind so gering wie möglich, um die entsprechenden Investions- und Betriebskosten in Grenzen zu halten, insbesondere durch eine Reduzierung der Verluste durch Joule- Effekt in den Leitern. Die nahe Anordnung der Elektrolysezellen und die erhöhten Stromstärken des Elektrolysestroms haben außerdem die Entwicklung zu Leiteranordnungen unterstützt, die in der Lage sind, die Auswirkungen der durch den Elektrolysestrom erzeugten Magnetfelder zu kompensieren.
Zum gleichen Zweck ist es bekannt, die Zellen oder Zellenreihen mit hochentwickelten Kontrollmitteln zu versehen, die eine ausgezeichnete Kontrolle des Elektrolyseprozesses ermöglichen. Dabei schlägt insbesondere die auf den Namen der Anmelderin lautende französische Anmeldung FR 2 753 727 ein Verfahren zur Feinregulierung der Temperatur vor, mit dem hohe Faradaysche Wirkungsgrade erreicht werden können.
Die Elektrolysezellen werden in der Regel so gesteuert, dass sie sich in thermischem Gleichgewicht befinden, d. h. dass die von jeder Zelle abgeführte Wärme insgesamt durch die in ihr erzeugte Wärme, die im wesentlichen vom Elektrolysestrom herrührt, kompensiert wird. Die Temperaturgleichgewichtsbedingungen hängen von den physikalischen Parametern der Zelle ab, wie zum Beispiel Dimensionen und Werkstoffbeschaffenheit, sowie von den Betriebsbedingungen der Zelle, zum Beispiel elektrischer Widerstand der Zelle, Badtemperatur oder Stromstärke des Elektrolysestroms. Die Zelle wird oft so aufgebaut und gefahren, dass es an den Seitenwänden dieser Zelle zur Bildung eines erstarrten Randansatzes kommt, wodurch insbesondere der Angriff der Auskleidung dieser Wände durch den flüssigen Kryolith gehemmt wird. Der Gleichgewichtspunkt wird generell so gewählt, dass sowohl unter einem technischen als auch wirtschaftlichen Gesichtspunkt die günstigsten Betriebsbedingungen erzielt werden.
Das auf den Namen der Anmelderin lautende französische Patent FR 2 552 782 (entspricht dem amerikanischen Patent US 4 592 821) beschreibt eine Reihe von Elektrolysezellen, die großtechnisch mit Stromstärken von mehr als 300 kA und Faradayschen Wirkungsgraden von > 90% arbeiten kann.

Aufgabenstellung

Der kontinuierliche Leistungsfortschritt der Elektrolysewerke sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht hat die Anmelderin dazu geführt, nach Lösungen zu suchen, um die Rentabilität der Werke insgesamt zu erhöhen, insbesondere indem die Möglichkeit eines Stromstärkebereichs zum Betrieb der Zellen ins Auge gefasst wird. Die Möglichkeit, willkürliche Veränderungen an den Betriebsbedingungen vorzunehmen, die in Bezug auf die Nennbedingungen wesentlich sein können, ist nämlich in der Verwaltung eines Elektrolysewerkes oftmals von Nutzen. Man kann zum Beispiel die Leistung eines Elektrolysezellensystems in Abhängigkeit von einem Energievertrag verändern.
Die Anmelderin stellte allerdings fest, dass die Elektrolysezellen Temperaturungleichheiten aufweisen, genauer gesagt eine Verteilung der Temperaturwerte in der gesamten flüssigen Masse, die, obwohl sie relativ gering sind, dazu tendieren, zeitlich fortzubestehen, das heißt dass bestimmte Temperaturabweichungen vom Mittelwert der Zelle durch einen mittleren Zeiteffekt nicht aufgehoben werden. Diese Ungleichheiten haben insbesondere den Nachteil, dass sie die Feinregulierung der Wärme in den Zellen begrenzen. Mit den bekannten Regulierungsverfahren lassen sich zwar die zeitlichen Temperaturveränderungen in den Griff bekommen, aber die Verteilung der Temperaturwerte in dar gesamten Zelle kann dadurch nicht direkt begrenzt werden. Außerdem fördern Temperaturbereiche unter dem Sollwert Materialablagerungen am Boden der Zelle und die Bildung eines zähflüssigen Ansatzes (d. h. dass ein Teil des Ansatzes die Kathode zum Teil überdeckt), wodurch sich der Kathodenfall erhöht und Unstabilitäten der Zelle hervorrufen werden, und Temperaturbereiche über dem Sollwert neigen dazu, den schützenden erstarrten Badansatz auf den Seiten der Zelle zu verringern und können zu einer unregelmäßigen Abnutzung der Auskleidungen führen.
Die Anmelderin hat deshalb nach Lösungen gesucht, um die Verteilung der Temperaturwerte und die Wärmeschwankungen in den Elektrolysezellen zu reduzieren, welche Lösungen die Nachteile älterer Technik beseitigen und dabei für die allgemeine Gestaltung der Zellen, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung der Bodenfläche und die Investitions- und Betriebskosten, und für das Fahren der Zellen zufriedenstellend bleiben.

Gegenstand der Erfindung

Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine Queranordnung von Elektrolysezellen für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Hall-Héroult- Verfahren.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Elektrolysewerk mit einer Zellenanordnung nach dem ersten Gegenstand der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung von Elektrolysezellen für die Herstellung voll Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Hall-Heroult-Verfahren mit Hilfe eines Elektrolysestroms der Stärke Io mindestens eine erste Reihe von Elektrolysezellen, die einen ersten elektrischen Stromkreis bildet, und mindestens einen zweiten elektrischen Stromkreis, der sich in einem bestimmten mittleren Abstand von der ersten Reihe befindet, wobei die erste Reihe N quer angeordnete Zellen und Verbindungsleiter aufweist, um den Elektrolysestrom Io von einer Zelle der Reihe - der sog. vorgeschalteten Zelle - auf die nächste Zelle der Reihe - die sog. nachgeschaltete Zelle - zu übertragen, wobei jede Zelle eine Metallwanne, Innenauskleidungselemente. Anoden und Kathodenelemente aufweist, welche Kathodenelemente mit kathodischen Stromanschlussausgängen versehen sind, die oberseitig und unterseitig aus der Wanne jeder Zelle herausragen, wobei ein erster Teil Im des Stroms Io durch die oberseitig aus jeder Zelle herausragenden kathodischen Ausgänge austritt, ein zweiter Teil Iv des Stroms Io durch die unterseitig aus jeder Zelle herausragenden kathodischen Ausgänge austritt. wobei die Verbindungsleiter aufsteigende Leiter, sog. "Hochführungen" umfassen und der aus den gesamten Kathodenelementen einer vorgeschalteten Zelle austretende Strom Io über die Hochführungen auf die Anoden der nachgeschalteten Zelle übertragen wird. wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass im Zentralbereich zumindest ein sog. "axialer" Leiter unter jeder vorgeschalteten Zelle geführt ist, dass im inneren seitlichen Bereich, d.h im Bereich jeder Zelle, der auf der Seite des zweiten elektrischen Stromkreises liegt, zumindest ein sog. "seitlicher" Leiter unter jeder vorgeschalteten Zelle geführt ist, dass zumindest ein sog. "Umführungsleiter" um jede, vorgeschaltete Zelle herum geführt ist, dass der eine oder jeder seitliche Leiter mit einer ersten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um auf die Hochführungen einen ersten Teil 11 des Stroms Im zu übertragen, der 10 bis 20% des Stroms Im beträgt, dass der eine oder jeder axiale Leiter mit einer zweiten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um auf die Hochführungen einen zweiten Teil 12 des Stroms Im zu übertragen, der 10 bis 20% des Stroms Im beträgt, dass der eine oder jeder Umführungsleiter mit einer dritten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um einen dritten Teil 13 des Stroms Im zu übertragen, der dem Rest des Stroms Im entspricht, dass die Hochführungen mit den an der Oberseite der entsprechenden vorgeschalteten Zelle liegenden kathodischen Ausgängen, mit den unter der Zelle geführten Leitern und mit dem oder jedem Umführungsleiter der Zelle verbunden sind, so dass ein Bruchteil Mc des Stroms Io von weniger als 15%, und vorzugsweise weniger als 10%, durch die im Zentralbereich der Reihe liegenden Hochführungen übertragen wird.
Die Seiten- und Zentralbereiche der Zelle und der Reihe sind durch zwei vertikale, parallel zur Achse der Reihe verlaufende gedachte Ebenen abgegrenzt. Jede dieser Ebenen ist so in die Zellen eingeschoben, dass drei Bereiche entstehen, die drei vergleichbaren Flüssigmassevolumen innerhalb jeder Zelle der Reihe entsprechen. Das in der Mitte liegende Volumen beträgt vorzugsweise 25 bis 40% des Gesamtvolumens und besonders bevorzugt 30 bis 35% des Gesamtvolumens. Das exakte Volumen jedes Bereichs sowie die exakte Verteilung des Stroms unter der Zelle richten sich nach dem Aufbau der Zelle (insbesondere der Anzahl der kathodischen Ausgänge) und der Betriebsweise der Zelle (insbesondere der Dicke des erstarrten Badansatzes an den Rändern des Zellentiegels, wodurch sich die Verteilung der flüssigen Massen ändert).
Der zweite Stromkreis, der im weiteren Verlauf des Textes auch "Nachbarreihe" genannt wird, verläuft im Allgemeinen weitgehend parallel zur Reihe und enthält in der Regel mindestens eine Elektrolysezelle. Zumeist enthält er eine Reihe von Elektrolysezellen, er kann aber eventuell nur aus Leitern bestehen. Im Betrieb fließt ein Strom der Stromstärke Io' durch den zweiten Stromkreis. Die Anordnung der Zellen ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Ströme Io und Io' im wesentlichen gleiche Stromstärken haben und in jeweils entgegengesetzte Richtungen fließen.
Die Aufteilung des oberen Stroms der Elektrolysezellen zwischen den Leitern ist an die Stromstärke der Reihe Io und die Stromstärke der Nachbarreihe 16 sowie an den Abstand zwischen den beiden Zellenreihen gebunden.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt die elektrische Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen einer Zellenreihe nach dem Stand der Technik (gemäß französischem Patent FR 2 552 782 und amerikanischem Patent US 4 592 821). Die Richtung der Nachbarreihe ist durch den Pfeil FV angegeben. Die Richtung des Elektrolysestroms ist durch den Pfeil Io angezeigt.
In Fig. 2 sind die Parameter zur Verteilung des Stroms in einer Reihe von Elektrolysezellen nach der Erfindung veranschaulicht. Um die Figur übersichtlicher zu gestalten, sind nur zwei Zellen dargestellt: eine vorgeschaltete Zelle der Reihe n und eine nachgeschaltete Zelle der Reihe n + 1. Der vordere Teil einer Zelle ist mit den Buchstaben AM gekennzeichnet; der hintere Teil ist mit den Buchstaben AV gekennzeichnet. Die Seitenbereiche und der Zentralbereich der Zellenebene sind durch zwei vertikale Ebenen P1 und P2 abgegrenzt, die parallel zur Achse A der Reihe verlaufen und beiderseits dieser Achse angeordnet sind. Der innere seitliche Bereich, der Zentralbereich und der äußere seitliche Bereich sind mit den Buchstaben F, C und 13 gekennzeichnet. Der Pfeil zeigt die Richtung des Elektrolysestroms an.
Fig. 3 zeigt die elektrische Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Richtung der Nachbarreihe ist durch den Pfeil FV angezeigt. Die Richtung des Elektrolysestroms ist durch den Pfeil 10 angegeben.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In einer erfindungsgemäßen Zellenanordnung besteht jede Zelle aus einer Wanne (1), in der Regel aus Stahl, die innen mit isolierendem feuerfesten Material ausgekleidet ist, sowie Anoden und Kathodenelementen. Zur besseren Übersichtlichkeit der Figuren sind die Anoden und die Kathodenelemente nicht dargestellt. Die Kathodenelemente bestehen aus Kohlenstoffblöcken und Kathodenbalken, welche in die Blöcke eingegossen sind; ein Kathodenelement weist in der Regel einen oder zwei Kathodenbalken auf. Die Kathodenbalken ragen auf beiden Seiten der Zelle heraus und bilden den sog. vorgeschalteten Kathodenausgang (3) und den sog. nachgeschalteten Kathodenausgang (4) (der Begriff "Kathodenausgang" bezeichnet sämtliche Kathodenbalken eines selben Elements, das auf einer Seite der Zelle herausragt). Die Kathodenelemente sind generell nebeneinander in Querrichtung der Zellen angeordnet. Die Anoden, die gewöhnlich aus vorgebrannten Kohlenstoffmassen und darin eingelassenen metallischen Anodenstangen bestehen, sind an einem beweglichen Kreuzstück (5) befestigt.
Die Mittel zur elektrischen Verbindung zwischen den Kathodenausgängen und dem Kreuzstück umfassen aufsteigende Leiter (oder Hochführungen) (6A, 6B, 6B', 6C, 6D, 6D', 6E), axiale Leiter (7), seitliche Leiter (8) und Umführungsleiter (11A und 11B). Um die Beweglichkeit des Kreuzstücks zu gestatten, sind die Hochführungen über flexible elektrische Leiter (10A, 10B, 10B', 10C, 10D, 10D', 10E) mit dem Kreuzsttick verbunden. Der Stromkreis kann Zwischenleiter (12, 13, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A, 17B, 18A, 18B, 19A, 19B, 20A, 20B, 21) und Äquipotentialverbindungen (22, 23A, 23B) aufweisen, um den Elektrolysestrom in den Hochführungen zu verteilen.
Die Stromstärke I1 ist vorzugsweise mit der Stromstärke I2 vergleichbar, insofern, als sie um weniger als 15% vom Mittelwert von I1 und I2 (d. h. (I1 + I2)/2) abweichen.
Der axiale Leiter ist bevorzugt ein Einzelleiter. Bevorzugt ist auch der seitliche Leiter ein Einzelleiter. Vorteilhaft ist auch, dass ein einzelner Umführungsleiter (der sog. innere Umführungsleiter) innenseitig um die Zelle geführt ist und/oder ein einzelner Umführungsleiter (der sog. äußere Umführungsleiter) außenseitig um die Zelle geführt ist. Durch diese Maßnahmen kann die Erfindung auf effiziente Weise durchgeführt und gleichzeitig ein relativ einfacher elektrischer Stromkreis beibehalten werden.
Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung weist jede Zelle mindestens einen inneren Umführungsleiter und mindestens einen äußeren Umführungsleiter auf, und die Stromstärke 11 des Stroms, der in dem einen oder in sämtlichen inneren Umführungsleitern fließt, ist vergleichbar mit der Stromstärke Ie des Stroms, der in dem einen oder in sämtlichen äußeren Umführungsleitern fließt. Dabei weichen die Stromstärken Ii und Ie vorzugsweise um weniger als 15% vom Mittelwert von Ii und Ie (d. h. (Ii + Ie)/2) ab.
Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist vorgesehen, dass die zentrale Hochführung 6C stromlos und vorzugsweise weggelassen ist, dass die Hochführungen (6A, 6B, 6B', 6D, 6D', 6E) beiderseits symmetrisch zur Axialebene der Reihe außerhalb des Zentralbereichs C angeordnet sind, dass jede Zelle einen einzelnen axialen Leiter (7), einen einzelnen seitlichen Leiter (8), einen einzelnen ersten Umführungsleiter (11B) auf der Seite der Nachbarreihe oder "innenseitig" und einen einzelnen zweiten Umführungsleiter (11A) auf der gegenüberliegenden Seite der Nachbarreihe oder "außenseitig" aufweist.
Die Hochführungen liegen vorzugsweise zwischen den Zellen. d. h. zwischen den zwei aneinandergrenzenden Seiten aufeinanderfolgender Zellen. Die Zahl der Hochführungen ist bevorzugt gerade und eine gleiche Zahl Hochführungen ist beiderseits der Achse der Reihe angeordnet.
Die Stromstärke des Stroms, der in dem axialen Leiter (7) fließt, und die Stromstärke des Stroms, der in dem seitlichen Leiter (8) fließt, sind vorzugsweise vergleichbar, d. h. dass sie um weniger als 15% von ihren jeweiligen Mittelwerten abweichen. Bevorzugt transportieren auch die Umgehungsleiter (11A, 11B) einen Strom mit einer vergleichbaren Stromstärke.
Der oder jeder unter der Zelle geführte seitliche Leiter liegt vorzugsweise nahe heim Ende der Zelle und besonders bevorzugt in der Nähe des letzten Kathodenausgangs.
In der Praxis weisen die N Zellen einer Reihe typischerweise zwei Endzellen auf (nämlich die Zelle der Reihe 1 und die Zelle der Reihe N), die keine vor- oder nachgeschaltete Zelle haben oder deren vor- oder nachgeschaltete Zelle sich nicht im gleichen Abstand wie die Zellen der Reihe (die in der Regel abstandsgleich sind) befindet oder deren vor- oder nachgeschaltete nicht in der Achse der Reihe liegt. In diesen Fällen können die Versorgungsleiter der ersten Zelle der Reihe und/oder die Verbindungsleiter der letzten Zelle der Reihe mit dem elektrischen Schaltkreis oder mit der nächsten Reihe eine andere Anordnung haben als die Verbindungsleiter zwischen den N Zellen der Reihe. Dabei können insbesondere die Verbindungsleiter der letzten Zelle keine Hochführungen aufweisen.

Vergleichsversuche

An einer Anordnung von Zellen nach dem nächsten Stand der Technik (Fig. 1) und einem Prototyp der erfindungsgemäßen Anordnung von Zellen (Fig. 3) wurden Temperaturmessungen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wies jede Zelle 20 Kathodenausgänge auf jeder Seite auf, d. h. 20 Ausgänge oberseitig und 20 Ausgänge unterseitig. Jeder Kathodenausgang hatte zwei Kathodenbalken. Der Elektrolysestrom 10 war in all diesen Versuchen weitgehend identisch, nämlich 300 kA. Die Nachbarreihen befanden sich in allen Fällen in gleichem Abstand, d. h. 85 m von Mitte zu Mitte. Der in den Nachbarreihen fließende Strom Io' entsprach weitgehend dem Elektrolysestrom 10.
In der Elektrolysezellenanordnung nach dem Stand der Technik (Fig. 1) war der Kathodenstrom der vorgeschalteten Ausgänge (Im) wie folgt in den Übertragungsleitern verteilt: 15 kA im Leiter (9 A), 7,5 kA im Leiter (9B), 22,5 kA im Leiter (9C), 52,5 kA im Leiter (11A) und 52,5 kA im Leiter (11B). Der gesamte Kathodenstrom der nachgeschalteten Zelle war wie folgt in den Hochführungen verteilt: 60 kA in den Hochführungen (6A) und (6E), 15 kA in den Hochführungen (6B) und (6D'). 45 kA in den Hochführungen (6B') und (6D) und 60 kA in der zentralen Hochführung (6C). Jeder Kathodenausgang transportierte einen Strom mit weitgehend gleicher Stromstärke, d. h. ca. 7,5 kA.
Die Zahl der wie in Fig. 1 angeordneten Hochführungen betrug 7. Diese Hochführungen waren zwischen der vor- und der nachgeschalteten Zelle und beiderseits symmetrisch zur Achse der Zellenreihe angeordnet.
In der Anordnung nach der Erfindung waren die elektrischen Leiter ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt angeordnet. Die drei Bereiche teilten die Zellenebene in drei im wesentlichen gleichdimensionierte Flächen, d. h. die Ebenen P1 und P2 waren so in die Zellenebene eingeschoben, dass ein Zentralbereich (C) mit 32 % der flüssigen Masse und zwei Seitenbereiche (ein Bereich E außenseitig und ein Bereich F auf der Seite der Nachbarreihe) mit jeweils 34% der flüssigen Masse (unter Berücksichtigung der Randansätze) entstanden. Der Zentralbereich enthielt 6 Kathodenausgänge und die Seitenbereiche jeweils 7 Kathodenausgänge. Jeder Kathodenausgang transportierte einen Strom mit weitgehend gleicher Stromstärke, d. h. ca. 7,5 kA.
Der Strom aus den vorgeschalteten Kathodenausgängen (Im) oder "vorgeschalteter Strom" war wie folgt in den Übertragungsleitern verteilt: 20,0 kA im axialen Leiter (7), 25,0 im seitlichen Leiter (8), 52,5 kA in den Umführungsleitern (11A) und (11B). Diese Verteilung entspricht 13,3% im axialen Leiter, 16,7% im seitlichen Leiter. 35% im Umführungsleiter auf der Seite der Nachbarreihe und 35% im außenseitigen Umführungsleiter.
Der gesamte Kathodenstrom der nachgeschalteten Zelle war wie folgt in den Hochführungen verteilt: 76,5 kA in den Hochführungen (6A) und (6E), 28,0 kA in den Hochführungen (6B) und (6D') und 45,5 kA in den Hochführungen (6B') und (6D). Der im Zentralbereich fließende aufsteigende Strom war folglich gleich Null.
Die Zahl der Hochführungen betrug 6, d. h. 3 Hochführungen im äußeren Zentralbereich und 3 Hochführungen im inneren Zentralbereich (und folglich keine Hochführung im Zentralbereich). Diese Hochführungen waren zwischen der vorgeschalteten und der nachgeschalteten Zelle und beiderseits symmetrisch zur Achse der Zellenreihe angeordnet.
Die Temperaturmessungen wurden mit Hilfe von Thermoelementen durchgeführt, die in der Seitenwand der Zellenwanne und um die Wanne herum angebracht waren. Bei den Zellen nach dem Stand der Technik wurden diese Messungen an 20 Zellen einer gleichen Reihe vorgenommen. Bei den Zellen nach der Erfindung wurden die Messungen an 3 Zellen in Reihe vorgenommen.
Diese Versuche zeigten, dass sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine deutliche Verringerung des Temperaturunterschiedes zwischen der oberen und unteren Seite jeder Zelle erzielen lässt. Der Unterschied zwischen den Temperaturwerten, die im Zentralbereich oberseitig an der Grenzfläche zwischen Elektrolysebad, und flüssigem Metall gemessen wurden, und denen, die im Zentralbereich unterseitig ebenfalls an der Grenzfläche zwischen Elektrolysebad und flüssigem Metall gemessen wurden, war bei den Zellen nach der Erfindung um 25ºC ± 10ºC geringer als bei den Zellen nach dem Stand der Technik.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Zellenanordnung lassen sich existierende Zellensysteme in Werken ohne große Investitionen vorteilhaft umgestalten.

Claims

1. Anordnung von Elektrolysezellen für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Halt-Héroult-Verfahren mit Hilfe eines Elektrolysestroms der Stärke Io, umfassend mindestens eine erste Reihe von Elektrolysezellen, die einen ersten elektrischen Stromkreis bildet, und mindestens einen zweiten elektrischen Stromkreis, der sich in einem bestimmten mittleren Abstand von der ersten Reihe befindet, wobei die erste Reihe N quer angeordnete Zellen und Verbindungsleiter aufweist, um den Elektrolysestrom Io von einer Zelle der Reihe - der sog. vorgeschalteten Zelle - auf die nächste Zelle der Reihe - die sog. nachgeschaltete Zeile - zu übertragen, wobei jede Zelle eine Metallwanne, Innenauskleidungselemente, Anoden und Kathodenelemente aufweist, welche Kathodenelemente mit kathodischen Stromanschlussausgängen versehen sind, die oberseitig und unterseitig aus der Wanne jeder Zelle herausragen, wobei ein erster Teil Im des Stroms Io durch die oberseitig aus jeder Zelle herausragenden kathodischen Ausgänge austritt, ein zweiter Teil Iv des Stroms Io durch die unterseitig aus jeder Zelle herausragenden kathodischen Ausgänge austritt, wobei die Verbindungsleiter aufsteigende Leiter, sog. "Hochführungen" umfassen und der aus den gesamten Kathodenelementen einer vorgeschalteten Zelle austretende Strom Io über die Hochführungen auf die Anoden der nachgeschalteten Zelle übertragen wird, wobei die Anordnung dadurch, gekennzeichnet ist, dass im Zentralbereich zumindest ein sog. "axialer" Leiter unter jeder vorgeschalteten Zelle geführt ist, dass im inneren seitlichen Bereich, d.h im Bereich jeder Zelle, der auf der Seite des zweiten elektrischen Stromkreises liegt, zumindest ein sog. "seitlicher" Leiter unter jeder vorgeschalteten Zelle geführt ist, dass zumindest ein sog. "Umführungsleiter" um jede vorgeschaltete Zelle herum geführt ist, dass der eine oder jeder seitliche. Leiter mit einer ersten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um auf die Hochführungen einen ersten Teil I1 des Stroms Im zu übertragen, der 10 bis 20% des Stroms Im beträgt, dass der eine oder jeder axiale Leiter mit einer zweiten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um auf die Hochführungen einen zweiten Teil I2 des Stroms Im zu übertragen, der 10 bis 20% des Stroms Im beträgt, dass der eine oder jeder Umführungsleiter mit einer dritten Gruppe obenliegender kathodischer Ausgänge verbunden ist, um einen dritten Teil I3 des Stroms Im zu übertragender dem Rest des Stroms Im entspricht, dass die Hochführungen mit den an der Oberseite der entsprechenden vorgeschalteten Zelle liegenden kathodischen Ausgängen, mit den unter der Zelle geführten Leitern und mit dem oder jedem Umführungsleiter der Zelle verbunden sind, so dass ein Bruchteil Mc des Stroms Io von weniger als 15% durch die im Zentralbereich der Reihe liegenden Hochführungen übertragen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil Mc kleiner als 10% ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochführungen zwischen den aneinandergrenzenden Seiten aufeinanderfolgender Zellen liegen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis mindestens eine Zelle enthält.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Leiter ein Einzelleiter ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Leiter ein Einzelleiter ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des Stroms I1 und die Stromstärke des Stroms I2 um weniger als 15 vom Mittelwert von I1 und I2 abweichen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle einen einzigen Umführungsleiter aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle mindestens einen inneren Umführungsleiter und mindestens einen äußeren Umführungsleiter aufweist, dass die Stromstärke des Stroms Ii, der in dem einen oder in sämtlichen inneren Umführungsleitern fließt, und die Stromstärke des Stroms Ie, der in dem einen oder in sämtlichen äußeren Umführungsleitern fließt, um weniger als 15% vom Mittelwert von Ii und Ie abweichen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle einen einzigen Umführungsleiter außenseitig und einen einzigen Umführungsleiter innenseitig aufweist.

11. Elektrolysewerk mit mindestens einer Anordnung von Elektrolysezellen nach den Ansprüchen 1 bis 10.