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Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Elektrolyseofens mit Ofensohle bzw.-wanne aus Kunstkohlengussmasse
Bei den üblichen Öfen für die elektrolytische Erzeugung von Aluminium besteht die Ofensohle aus einer Kohlenmasse, in die metallene Leiter (in der Regel eiserne Leiter) zur Zuführung des elektrischen Stromes eingebettet sind.
Normalerweise wird der Kohleboden entweder aus gebrannten Presskohlen zusammengesetzt oder durch Einstampfen einer ungebrannten Kohlenmasse und nachherige Brennen hergestellt. In ähnlicher Weise wird die Wandung der Öfen aufgebaut, soweit sie aus Kohle bzw. Graphit besteht. Nach einem neueren Verfahren, das beispielsweise in der Schweizer Patentschrift Nr. 221732 erwähnt ist, wird die Ofensohle aus einer verhältnismässig geringen Zahl von geformten Kunstkohlen zusammengesetzt, die aus einer Kunstkohlengussmasse bestehen, die vor dem Brennen mechanischen Schwingungen hoher Fre-
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einen Teil der Wandung mit einem entsprechenden Segment der Ofensohle aus einem Stück herzustellen.
Die gebrannten Kohlen (Presskohlen oder Kohlen aus Kunstkohlengussmasse) müssen möglichst fugenlos zusammengesetzt werden, was schwer zu erreichen und zeitraubend ist. Lässt man bei der Herstellung der Wanne absichtlich Fugen offen, die nachher durch Stampfmasse gefüllt werden, so bedingt auch dies einen grossen Arbeitsaufwand. Ausserdem haben die gebrannten Kohlen den Nachteil, dass ihre Wärmeausdehnung bei Inbetriebnahme des Ofens mit einem anderen Ausdehnungskoeffizient erfolgt als die des Mauerwerks, so dass zwangsläufig innere Spannungen entstehen, die zur Bildung von Spalten, Rissen und Verwerfungen führen. Etwa schon vorhandene innere Spannungen werden durch die Erwärmung ausgelöst und könner. auch für das Auftreten von Spalten, Rissen und Verwerfungen verantwortlich sein.
Zur Herstellung von selbstbrennenden Elektroden und von Füllungen und Ausfütterungen ist für die Kohlenstoffmasse schon eine besondere Zusammensetzung beschrieben worden, welche bewirken soll, dass die Masse bei Raumtemperatur hart ist und sich deshalb leichter transportieren lässt. Vor dem Einfüllen in die Form wird die Masse zerkleinert. Beim Einfüllen selbst gibt man Dünnteer als Lösungsmittel dazu. Eine besondere Vorwärmung vor dem Einfüllen ist in diesem Fall nicht nötig. Der Zusatz von Dünnteer bewirkt, dass die Masse auch ohne kräftiges Stampfen zusammenfliesst.
Die Herstellung der Ofensohlen und-wandungen aus Kohlenstampfmasse erfordert auch viel Arbeit. Bei unsachgemässem Einstampfen können Ungleichmässigkeiten auftreten, die ihrerseits zu Störungen im Betrieb des Ofens Anlass geben. Da die Kohlenstampfmasse beim Erhitzen kaum plastisch wird, kann sie engere Hohlräume im Mauerwerk bei Inbetriebnahme des Ofens nicht ausfüllen.
Die angeführten Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren vermieden, zum mindesten aber stark verringert. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenwanne mindestens teilweise durch Giessen einer zuvor fertig zusammengemischten Kunstkohlengussmasse in den Ofenmantel selbst hergestellt und darauf gebrannt wird.
Die Kunstkohlengussmasse ist aus der Mischung eines hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehenden Rohstoffes (z. B. zerkleinerter Koks) mit einem Bindemittel (z. B. Steinkohlenteer) so zusammengesetzt, dass sie bei erhöhter Tem- peratur, z. B. 140-200 C, genügend plastisch ist, um gegossen werden zu können. Beim Erkalten erhärtet sie.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Kunst- kohlengussmasse, wie in der Schweizer Patent- schrift Nr. 221732 beschrieben, vor dem Brennen mechanischen Schwingungen einer Frequenz von
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vor dem Giessen zu pervibrieren. Es ist aber möglich, wenn auch umständlicher, es während oder nach dem Giessen des Bodens bzw. der Wandung zu tun.
Meistens ist es das Zweckmässigste, sowohl die Ofensohle als auch die inneren Seitenwände des
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Ofens auf diese Weise herzustellen. Gelegentlich kann es sich als zweckmässig erweisen, einen Teil der Sohle oder der Wandung aus schon gebrannter Kohlenmasse zu fertigen, z. B. durch Anordnung von gebrannten, nicht zu grossen Kohlenblöcken, die mit der Kunstkohlengussmasse umgossen werden.
Das Brennen geschieht am besten durch Hindurchschicken eines elektrischen Stromes. Vor dem Brennen hat aber die Kunstkohlengussmasse eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Ausserdem wird sie zu Anfang des Brennens nochmals so plastisch, dass die Kohleanoden, die für die Zuführung des Stromes für das Brennen vorzugsweise benutzt werden, einsinken und dadurch die Oberfläche der Ofensohle in ungewünschter Weise verformen könnten.
Beiden Umständen wird dadurch Rechnung getragen, dass bereits gebrannte Kohlen in der Kunstkohlengussmasse derart angeordnet werden, dass sie eine gute elektrische Verbindung zwischen der anodischen und kathodischen Stromzuführung herstellen und so das Brennen der Kohlengussmasse in wirtschaftlicher Weise ermöglichen und zugleich die Gewähr bieten, dass die Kohleanoden, sofern solche für die Zuführung des Stromes für das Brennen benutzt werden, im richtigen Abstand von den metallenen Leitern im Kohleboden gehalten sind. Diese gebrannten Kohlen können eine beliebige Gestalt haben. Sie können z. B.
Prismen oder Zylinder aus gebrannter Kohle oder aus Graphit sein. Im folgenden werden diese gebrannten Kohlen als"leitende Abstandhalter" bezeichnet. Es ist zweckmässig, ihr oberes Ende etwas unterhalb der vorgesehenen Höhe der Oberfläche der Ofensohle stehen zu lassen, damit die Kohleanoden auch mit der Kunstkohlengussmasse, die den elektrischen Strom anfänglich nicht leitet, aber im Lauf des Brennens nach und nach zum Mitleiter wird, in Berührung kommen können.
Hierauf wird die flüssige, auf z. B. 140-200 C erhitzte Kohlengussmasse bis zur gewünschten Höhe eingefüllt ; sie wird gleichmässig verteilt und erkalten gelassen. Dann wird ihre Oberfläche so behauen, dass der Boden eine konkave Wölbung von beispielsweise 3 cm Tiefe erhält. Diese konkave Wölbung kann auch mit Hilfe einer anzudrückenden Schablone gebildet werden. Nach Herstellung der elektrischen Verbindung wird dem Ofen ein so starker elektrischer Strom zugeführt, dass die in der Masse eingebetteten leitenden Abstandhalter zum Glühen kommen und die gesamte Kunstkohlengussmasse nach und nach gebrannt wird.
Man kann es dabei so ein- richten, dass der mittlere Temperaturanstieg bis zum Erreichen einer Temperatur von etwa 500 nur 20-40 am Tag beträgt, was für die
Beständigkeit der Ofenwannen ausserordentlich wichtig ist.
Zur Herstellung der Seitenwände der Kohlen- wanne bedient man sich einer Schablone. Es ist vorteilhaft, für die Herstellung der Wände eine Kohlenmischung zu benutzen, die eine geringere Leitfähigkeit hat als die für die eigentliche Ofen- sohle benutzte. Zur Herabsetzung der Leitfähigkeit kann man z. B. einen Zusatz von Tonerde oder Ofenausbruch benutzen.
Wie schon erwähnt, geschieht die obere Stromzuführung am vorteilhaftesten durch die für die spätere Elektrolyse bestimmten Kohleanoden. Zu diesem Zweck setzt man Blockanoden oder Soederbergelektroden nach der Zubereitung der Oberfläche der Ofensohle auf und füllt alle Zwischenräume bis etwa zur Anoden-oder Ofenoberkante mit einer zerkleinerten bzw. pulverförmigen Masse, die geeignet ist, den glühend werdenden Teil der Anoden vor Oxydation zu schützen. Man kann hiezu Tonerde verwenden ; am zweckmässigsten benutzt man aber Kohlepulver oder Kohlegriess. Das Brennen der Kunstkohlengussmasse der Ofenwanne beansprucht üblicherweise mehrere Tage. Zweckmässig wird zu Beginn nicht die volle Stromstärke hindurchgeschickt, wie sie bei der Aluminiumelektrolyse benötigt wird, sondern sie wird erst im Verlauf des Brennens allmählich auf den hiebei üblichen Wert gesteigert.
Nach dem Brennen entfernt man die Füllmasse und füllt den Ofen mit bereits geschmolzenem Elektrolyt oder schmilzt den Elektrolyt nach und nach im Ofen selbst durch Heben der Anoden, worauf die Elektrolyse beginnen kann.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich nicht nur für die Herstellung, sondern auch für das Ausbessern solcher Öfen, die schon im Betrieb waren. Zu diesem Zweck wird der Ofen geleert und so tief gereinigt, bis die noch gute Kohle freigelegt ist. Die in der Ofensohle eingebetteten eisernen Stromzuführungen werden, wenn möglich, noch stellenweise freigelegt. Nun werden die leitenden Abstandhalter in derselben Weise angeordnet wie bei der Herstellung eines neuen Ofens ; auch die weiteren Arbeitsgänge sind die gleichen.
Die Zeichnung veranschaulicht ein Aus- führungsbeispiel. Sie zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Ofens vor dem Brennen der eingegossenen Kunstkohlengussmasse 1. Mit 2 sind eiserne Leiter bezeichnet, die in der Ofensohle eingebettet werden, mit 3 die leitenden Abstandhalter, mit 4 die Kohleanoden und mit 5 eine
Füllung aus Kohlepulver.
Das neue Verfahren bietet grosse Vorteile gegen- über den bekannten. Für die Herstellung der
Ofenwanne werden viel weniger Arbeitsstunden benötigt als nach den bisherigen Verfahren.
Darüber hinaus wird die verwendete Kunst- kohlengussmasse beim Brennen nochmals so plastisch, dass sie sich den Wandungen überall anschmiegt und die durch die thermische Aus- dehnung des Mauerwerks und gegebenenfalls der metallenen (eisernen) Stromzuführungen sich ergebenden Hohlräume ausfüllt.
Durch"Pervibrieren"kann man erreichen, dass die Kunstkohlengussmasse nach dem Brennen eine bessere Dichte (d. h. eine geringere Porosität), bessere mechanische Festigkeit, Haltbarkeit und elektrische Leitfähigkeit zeigt als die nicht pervibriert Kunstkohlengussmasse. Die üblichen
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Kohlenstampfmassen, wie sie bei der Herstellung von Ofenwannen oft noch gebraucht werden, können infolge ihres nicht giessfähigen Zustandes durch Pervibrieren nicht verbessert werden, d. h. ihre porige Struktur erfährt keine Verdichtung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines AluminiumElektrolyseofens mit Ofensohle bzw.-wanne aus Kunstkohlengussmasse, dadurch gekennzeichnet, dass Kunstkohlengussmasse als fertiges Gemisch in den Ofenmantel gegossen und dann durch Hindurchschicken eines elektrischen Stromes gebrannt wird, wofür vorgebrannte Kohlenteile [leitende Abstandhalter (], so angeordnet werden, dass sie den zum Brennen eingeschalteten elektrischen Strom von der anodischen Stromzuführung zu den metallenen Leitern (2) des
Kohlebodens leiten.