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Verfahren zum Verschliessen des unteren Teiles der Bolzenlöcher bei selbstbackenden Anoden mit senkrechten Stromzuführungsbolzen in Aluminiumelektrolyseöfen
Bei den selbstbackenden Anoden mit senkrechten Stromzuführungsbolzen in Aluminiumelektrolyse- öfen befindet sich bekanntlich der die Anode bildende Block aus Kunstkohlemischung ("Söderbergmasse") in einem eisernen Rahmen, der fest oder regulierbar aufgehängt ist und in dem der Block aus Kunstkohle- mischung gleiten kann. Nach Massgabe der Abnutzung der unteren Fläche der Anode im Ofenfluss infolge der elektrolytischen Vorgänge wird dieser Block nach und nach gesenkt und seine Höhe dadurch ergänzt, dass jeweils oben frische, noch unverkokte Kunstkohlemasse eingefüllt wird.
Bei den üblichen Ausführungen von selbstbackenden Anoden mit senkrechten Strombolzen beträgt die Höhe des verkokten Blockes in dem Eisenmantel etwa 90 - 140 cm. Sobald die Stromzuführungsbolzen eine bestimmte Tieflage erreicht haben, müssen sie aus der Anode herausgezogen und durch saubere Bolzen ersetzt werden, die dann weniger, tief reichen. Beim Auswechseln der Stromzuführungsbolzen setzt man den neuen, gereinigten Bolzen in das von dem alten Bolzen gebildete Loch so ein, dass sein Abstand von der Anodenunterkante etwa 50 - 100 cm beträgt. In dem Masse, wie sich der Anodenblock auf seiner unteren Fläche abnützt, verringert sich allmählich der Abstand zwischen Bolzenspitze und der Unterkante der Anode.
Üblicherweise wird der Bolzen herausgezogen, wenn der Abstand zwischen Bolzenspitze und Unterkante der Anode 12 - 25 cm beträgt. Wenn sich der Bolzen in seiner untersten Lage befindet und herausgezogen worden ist, fliesst normalerweise in das Loch, das der Bolzen gebildet hat, von oben her flüssige Söder- bergmasse hinein. Das Loch wird dann üblicherweise weiterhin mit flüssiger Söderbergmasse bis zu der Höhe aufgefüllt, bis zu welcher der neueinzusetzende Bolzen in die Masse hineinragen soll. Die Zusammensetzung der flüssigen Söderbergmasse, mit der die Bolzenlöcher ausgefüllt werden, entspricht normalerweise der Zusammensetzung der Söderbergmasse, aus der die Anode gebildet ist.
Bei der üblichen Verschliessung der Bolzenlöcher mit"grüner"Söderbergmasse (ungebackener Kunstkohlemischung) nach dem Herausziehen der Stromzuführungsbolzen in ihrer tiefsten Lage vor dem Einsetzen neuer oder gereinigter Bolzen machen sich häufig nachteilige Erscheinungen bemerkbar, die nicht nur den Betrieb dieser Öfen empfindlich stören, sondern unter Umständen auch das Bedienungspersonal schwer gefährden.
Es ist auch bereits versucht worden, das Bolzenloch nicht mit flüssiger Söderbergmasse, sondern mit Griess, Granulat oder Brocken aus erstarrter, noch unverkokter Söderbergmasse auszufüllen, wobei diese im allgemeinen ebenfalls die Zusammensetzung der Masse des Anodenblockes aufwies.
In besonderen Fällen, wenn die Löcher bis zur Anodenunterkante durchgebrochen waren, wurden aus Aluminium gegossene Zapfen zur Abdichtung der Löcher verwendet.
In das mit Söderbergmasse ausgefüllte Loch wird dann der neue, gereinigte Bolzen so hoch eingesetzt, dass der Abstand zwischen seiner Spitze und der Anodenunterkante etwa 50-100 cm beträgt. Der Abstand zwischen der Spitze des herausgezogenen und derjenigen des neu eingesetzten Bolzens beträgt demnach üblicherweise 25 - 75 cm ; er richtet sich nach dem Turnus, nach dem die Bolzen gezogen werden, d. h. nach der Zahl der Bolzen, die man auf der gleichen Höhe einsetzt, und dem Abstand zwischen den einzelnen Bolzenlagen.
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Beim Betrieb von Söderberganoden mit senkrechten Stromzuführungsbolzen hat es sich nun gezeigt, dass die Füllmasse, mit der die Bolzenlöcher ausgefüllt werden, häufig Anlass zu nachteiligem Ofengang oder gar zu Betriebsstörungen geben. So geschieht es oftmals, dass der durch die Füllmasse gebildete Mischungspfropfen unterhalb der Bolzenspitze ins Bad abgleitet und Ofenfluss in das Bolzenloch eindringt. Nach Herausziehen des Stromzuführungsbolzens kann es dann vorkommen, dass sich die in das Loch fliessende flüssige Söderbergmasse entzündet.
Häufig gelangt sogar durch das unten offene Bolzenloch heisse Söderbergmasse direkt in den Ofenfluss, wodurch entweder ein explosionsartiges Herausschleudern der Füllmasse an dem zum Wiedereinsetzen bereit hängenden, gereinigten Bolzen vorbei ins Freie oder auch infolge der im Ofenfluss entstehenden Druckwelle ein Herausschleudern von Ofenfluss seitlich aus dem Bad heraus erfolgen kann.
Untersuchungen über die Beschaffenheit der Füllmasse in den Bolzenlöchern, die man an abgestellten Öfen nach Herausziehen der Anoden aus dem Bad gemacht hat, haben ergeben, dass die Söderbergmasse, die üblicherweise in flüssiger oder, wie erwähnt, in granulierter oder körniger Form in die Löcner eingefüllt wird, eine wenig geeignete Beschaffenheit hat. Die Masse erscheint grobporig. Dabei wurde festgestellt, dass die Füllmasse meist die Löcher nicht ausfüllt ; es sind grosse Hohlräume unter den Bolzenspitzen vorhanden. Meist besteht überhaupt keine Bindung zwischen der grobporösen Füllmasse und der verkokten Söderbergmasse in der Umgebung des Bolzenloches.
Nun tritt der Strom aus den Bolzen vornehmlich an deren Spitzen in die verkokte Masse ein. Wegen der Grobporigkeit der Füllmasse und der schlechten Bindung zwischen Füllmasse und Anodenblock ist daher meist der Spannungsabfall zwischen Bolzen und Anodenmasse sehr hoch und von einem Bolzen zum andern verschieden, so dass sich wiederum daraus eine ungleichmässige Stromverteilung in den Anoden ergibt, die für den Betrieb äusserst nachteilig ist.
Genaue Untersuchungen haben nun ergeben, dass diese Grobporigkeit der Füllmasse auf zwei Ursachen zurückgeführt werden kann. Beim Einfüllen der Söderbergmasse in die Bolzenlöcher wird diese unmittelbar stark erhitzt und die Verkokung der Masse erfolgt sehr rasch. Es ist bekannt, dass bei derartig schneller Verkokung das Pech der Masse stark aufschäumt und die Masse porös und spröde wird. Ein weiterer Grund für die Bildung von Hohlräumen in der Füllmasse unter den Bolzenspitzen ist darin zu suchen, dass die flüssige Masse, die in die Bolzenlöcher nach dem Herausziehen der Bolzen eingefüllt wird, in die Risse fliesst, die häufig den Anodenblock durchziehen und die meist in den Bolzenlöchern münden.
Man hat in der Praxis der Anodenbetriebsführung bereits verschiedene Versuche gemacht, um die bestehenden Nachteile zu vermeiden. So hat man die Kornzusammensetzung des Trockenstoffes der Füllmasse geändert, ohne jedoch deren Anteil an Bindemitteln zu verändern, um das Abfliessen der Masse in die Risse zu verhindern. Um die minderwertige Qualität der Füllmasse nach der Verkokung, d. h. deren schlechte Leitfähigkeit zu verbessern, hat man ihr mehr oder weniger grosse Mengen von Graphit zugesetzt. Diese Versuche, die zum Teil langjährig durchgeführt worden sind, haben nicht zu dem erwünschten Erfolg geführt.
Die oben beschriebenen Erscheinungen müssen als die wesentlichen Nachteile der Öfen mit senkrechten Stromzuführungsbolzen, die heute als die neuzeitlichen Aluminiumöfen besonders für hohe Stromeinheiten gelten, angesehen werden.
Durch das nachstehend beschriebene erfindungsgemässe Verfahren ist es gelungen, diese Nachteile der Aluminiumelektrolyseöfen mit selbstbackenden Anoden mit senkrechten Stromzuführungsbolzen zu vermeiden.
Das Verfahren besteht darin, dass der untere Teil der Bolzenlöcher vor dem Einsetzen der neuen, gereinigten Bolzen mit verdichteten (d. h. gepressten oder gestampften) Zapfen aus Kokspechmasse (Kunstkohlenmasse) verschlossen wird, deren Form möglichst dem Bolzenloch angepasst ist und die einen geringeren Bindemittelzusatz aufweisen als die Anodenmasse selbst.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden diese Kohlenzapfen je nach der Tiefe in dem Anodenblock, bis zu der sie eingeführt werden, in schwach gebackenem oder in ungebackenem Zustand verwendet. Wird ein schwach gebackener Kohlezapfen benützt, so soll sein Verkokungsgrad stets geringer sein als derjenige der umgebenden Masse. Mit andern Worten, je tiefer der Kohlezapfen eingesetzt wird, desto höher soll seine Verkokungstemperatur sein, jedoch weniger hoch, als dem Verkokungsgrad der umgebenden Söderbergmasse des Anodenblockes entspricht.
Als Mass des Verkokungsgrades kann die Verkokungstemperatur und die Verkokungsdauer angesehen werden. Ein Anodenblock von z. B. 120 cm Höhe weist dort, wo er bereits schwach angekokt ist, eine Oberflächentemperatur von 250 bis 3000 C auf. Die Temperatur der dem Ofenfluss zugekehrten unteren Anodenfläche beträgt etwa 9000 C. Bei der allmählichen Abnutzung bzw. Absenkung des Anodenblockes
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steigt nun die Temperatur an jedem beliebigen Punkt desselben von seiner niedrigsten bis zur höchsten Temperatur. Die Zeitdauer, die ein Punkt im Anodenblock von der obersten Verkokungsfläche bis zur Anodenunterkante durchläuft, beträgt je nach der anodischen Stromdichte und der Qualität der Masse bei einem Anodenblock von 120 cm Höhe beispielsweise etwa 60 - 80 Tage.
Der Verkokungsgrad der Kohlezapfen soll nun, wie erwähnt, etwas schwächer sein als derjenige der umgebenden Söderbergmasse, in die er eingesetzt wird. Zweckmässigerweise wird der Kohlezapfen bei einer Temperatur gebacken, die etwa 100 - 2000 C tiefer liegt als die durchschnittliche Verkokungstemperatur in der umgebenden Masse des Anodenblockes. Der Unterschied in der Verkokungstemperatur darf dabei keineswegs grösser sein als 2000 C, sonst erfolgt erfahrungsgemäss keine Bindung zwischen Kohlezapfen und umgebender Masse. Die gesamte Zeitdauer der Verkokung der Kohlezapfen vom Einpacken bis zur Erreichung der Höchsttemperatur soll dabei etwa 1/5 - 1/20, vorzugsweise etwa 1/10 der Verkokungsdauer betragen, der die umgebende Masse des Anodenblockes bis zur Erreichung ihrer Endtemperatur ausgesetzt gewesen ist.
Die höchste Verkokungstemperatur soll dabei etwa 10 - 12 Stunden auf die Kohlezapfen einwirken.
Beträgt die Verkokungstemperatur der umgebenden Masse durchschnittlich weniger als 800 C, so können unverkokte Zapfen verwendet werden, da solche unverkokte Zapfen mit einer Masse, die noch keine Verkokungstemperatur von 8000 C erreicht hat, erfahrungsgemäss bereits durchaus gut binden.
Genaue und systematische Untersuchungen haben nämlich zur überraschenden Feststellung geführt, dass die Bindung zwischen einem Kohlemassekörper mit einer bereits gebackenen Kohlemasse dann besonders innig erfolgt, wenn der Massekörper, den man mit der vorgebackenen Masse verbinden will, einen schwächeren Verkokungsgrad aufweist als die Masse selbst. Anderseits darf der Unterschied im Verkokungsgrad nicht zu gross sein, sonst erfolgt überhaupt keine Bindung.
Wenn man also nach dem üblichen Verfahren unverkokte Söderbergmasse in ein Bolzenloch einfüllt, das fast bis zur Anodenunterkante hinunter reicht, so kommt die eingefüllte frische Masse mit vollständig verkokter Masse in Berührung, und die Erfahrung hat ergeben, dass bei der Verkokung der frischen Masse zwischen dieser und dem Anodenblock keine Bindung erfolgt. Das gleiche gilt für jene Bolzenlöcher, die bis zur Anodenunterkante offen sind und deren Abdichtung, wie bereits erwähnt, im allgemeinen durch aus Aluminium gegossene Zapfen erfolgt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es zweckmässig, in diesen beiden Fällen schwach verkokte Kohlezapfen zu verwenden, die bei einer Temperatui von etwa 700 bis 7500 C 12 Stunden lang gebacken worden sind. Die gesamte Verkokungsdauer vom Einpacken der Zapfen bis zum Ausbacken dauert beispielsweise 18 Tage.
Als Verkokungstemperatur für die Kohlezapfen ist 700 - 7500C zu wählen, da die Temperatur der umgebenden Söderbergmasse des Kohleblockes in den tiefsten Zonen, in die der Zapfen
EMI3.1
EMI3.2
<tb>
<tb> - <SEP> 900015% <SEP> Pechkoks, <SEP> Grobkorn <SEP> 1, <SEP> 68-3, <SEP> 36 <SEP> mm <SEP>
<tb> 521/0 <SEP> Pechkoks, <SEP> Mittelkorn <SEP> 0, <SEP> 21-1, <SEP> 68 <SEP> mm
<tb> und <SEP> 33% <SEP> Pechkoks, <SEP> Feinkorn <SEP> 0-0, <SEP> 21 <SEP> mm
<tb> 100go
<tb>
Diesem Trockenstoff wird nun so viel Pech zugesetzt, dass der Pechgehalt der gesamten Masse z. B. 16, 5% beträgt.
Eine normale Kunststoffmischung (Söderbergmasse) für selbstbackende Anoden von Aluminiumelektrolyseöfen besteht z. B. aus Pechkoks, dem 28% Hartpech zugesetzt wird, Die Zusammensetzung einer solchen Söderbergmasse ist z. B. folgende :
EMI3.3
<tb>
<tb> 130/0 <SEP> Pechkoks, <SEP> Grobkorn <SEP> 1, <SEP> 68-3, <SEP> 36 <SEP> mm
<tb> 42% <SEP> Pechkoks, <SEP> Mittelkorn <SEP> 0, <SEP> 21-1, <SEP> 68 <SEP> mm
<tb> 45qo <SEP> Pechkoks, <SEP> Feinkorn <SEP> 0-0, <SEP> 21 <SEP> mm
<tb>
Diesem Trockenstoff wird so viel Pech zugesetzt, dass der Pechgehalt der gesamten Masse 28% beträgt.
Im folgenden sei ein weiteres Beispiel für eine normale Söderbergmasse, die aus Pechkoks und Hochtemperatursteinkohlenkoks (genannt Reinstkoks) besteht, angegeben :
EMI3.4
<tb>
<tb> 13% <SEP> Pechkoks, <SEP> Grobkorn <SEP> 1, <SEP> 68-3, <SEP> 36 <SEP> mm
<tb> 43% <SEP> Pechkoks, <SEP> Mittelkorn <SEP> 0, <SEP> 21-1, <SEP> 68 <SEP> mm
<tb> 14% <SEP> Pechkoks, <SEP> Feinkorn <SEP> 0-0, <SEP> 21 <SEP> mm
<tb> 30% <SEP> Reinstkoks, <SEP> Feinkorn <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 21 <SEP> mm
<tb>
Diesem Trockenstoff wird so viel Pech zugesetzt, dass der Pechgehalt der gesamten Masse z. B. 29% beträgt.
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Die Zapfen können z. B. eine Länge von 30 cm aufweisen und sich nach unten hin verjüngen. Bei Verwendung von sich gleichmässig verjüngenden Stromzuführungsbolzen, die z. B. in der Mitte einen Durchmesser von 125 mm und unten oberhalb der Spitze einen solchen von 105 mm aufweisen, kann der Kohlezapfen oben einen Durchmesser von 120 mm und unten von etwa 105 mm aufweisen ; es wird ihm also zweckmässigerweise mindestens der gleiche Durchmesser oder ein etwas grösserer gegeben, als ihn das Loch aufweist, das durch den Bolzen gebildet worden ist, um zu erreichen, dass sich der Zapfen dem Bolzenloch gut anschmiegt.
Die Kohlezapfen sind zweckmässigerweise in das Bolzenloch einzuführen, sobald der Bolzen gezogen ist. Dadurch wird die Gefahr ausgeschlossen, dass etwa in das Loch in zu starkem Masse nachfliessende flüssige Masse sich entzündet. Man kann dann oberhalb der Zapfen noch eine geringe Menge von grüner Söderbergmasse einfüllen, um darauf den gereinigten, neuen Bolzen zu setzen. Infolge seiner Plastizität schmiegt sich der Kohlezapfen dem Bolzenloch gut an. Dank dem geringeren Pechzusatz wird er jedoch bei Temperaturerhöhung nicht so flüssig, dass Teile davon in die bestehenden Risse der Anode hineinfliessen. Infolge seines geringeren Verkokungsgrades kommt bei seiner Erhitzung und Verkokung eine gute Bindung mit der umgebenden Anodenblockmasse zustande.
Normalerweise werden die Stromzuführungsbolzen dann gezogen, wenn der Abstand der Bolzenspitze von der Anodenunterkante 12 - 25 cm beträgt, und normalerweise sind bei Verwendung der Kohlezapfen nach der Erfindung die Bolzenlöcher bis zu dem genannten Abstand geschlossen.
Wenn nun beispielsweise der neu gereinigte Stromzuführungsbolzen 25 cm höher gesetzt wird als der alte, und es wird vorher ein Kohlezapfen von 25 cm Höhe und der gleichen Stärke wie oben eingesetzt, so gelangt der Kohlezapfen in eine umgebende Anodenblockmasse, deren Verkokungstemperatur im Durchschnitt etwa 800-850 C beträgt. Zweckmässigerweisc werden also Kohlezapfen eingesetzt, die bei maximaler Temperatur von 650 bis 7000 C gebacken worden sind. Dabei soll die Verkokungsdauer etwa die gleiche sein wie bei den oben angegebenen Zapfen. Der Pechzusatz beträgt bei diesen Zapfen 18%.
. Wenn der neu gereinigte Bolzen 40 cm höher eingesetzt werden soll als der alte und ein Kohlezapfen von 40 cm Höhe verwendet wird, so gelangt der Kohlezapfen in eine umgebende Anodenblockmasse, deren Verkokungstemperatur durchschnittlich bei 750 - 7800 C, also wesentlich unter 8000 C liegt. In diesem Falle wird ein unverkokter Kohlezapfen in der gleichen Stärke wie oben eingesetzt.
Diese unverkokten Kohlezapfen können beispielsweise von der gleichen Kornzusammensetzung sein wie die oben beschriebenen. Es empfiehlt sich jedoch, den Pechzusatz etwas höher zu wählen, u. zw. etwa 20%. Der Pechzusatz, den man der Masse der Kohlezapfen zusetzt, soll mindestens 4%, höchstens 20le, vorzugsweise 6-12% geringer sein als der Pechzusatz der Söderbergmasse der Anode. Dabei ist es zweckmässig, den Pechzusatz desto niedriger zu wählen, je höher die Verkokungstemperatur ist, bei der die Kohlezapfen gebacken werden.
Die Kohlezapfen werden mit einer Stange, die man in das Bolzenloch einführt, nachgestossen.
Dank dem erfindungsgemässen Verfahren wird erreicht, dass das Bolzenloch unterhalb der Bolzenspitze stets mit einer dichten, gut leitfähigen Masse ausgefüllt bleibt und der Spannungsabfall am Übergang zwischen Bolzenspitze und Anodenmasse gering bleibt.
Erst durch die Verwendung dieser grünen bzw. schwach gebackenen Kohlezapfen als Füllkörper in den Bolzenlöchern ist es gelungen, den Anodenspannungsabfall bei selbstbackenden Anoden mit senkrechten Strombolzen auf ein Mindestmass herabzusetzen und einen sicheren Anodenbetrieb, bei dem keine Gefährdung des Bedienungspersonals mehr auftritt, zu gewährleisten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verschliessen des unteren Teiles der Bolzenlöcher bei selbstbackenden Anoden mit senkrechten Stromzuführungsbolzen in Aluminiumelektrolyseöfen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Herausziehen der Bolzen der untere Teil der entstandenen Löcher vor dem Einsetzen der neuen oder gereinigten Bolzen mit verdichteten Kunstkohlezapfen verschlossen wird, deren Form dem Bolzenloch angepasst ist und die einen geringeren Bindemittelzusatz aufweisen als die Anodenmasse selbst.