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Verfahren zur Inbetriebnahme von Aluminiumelektrolysezellen mit selbstbackender Anode und Stromzuführungsbolzen
Zur Erzielung eines guten Ofenganges und günstiger Ergebnisse beim Betrieb von Aluminiumelektro- lysezellen mit selbstbackenden Anoden, den sogenannten Söderbergöfen, muss dafür gesorgt werden, dass bereits bei der Einschaltung des Ofens der Verkokungsvorgang der noch ungebackenen Teile der aus einer
Kohlenmasse bestehenden Kathode und der noch ungebackenen Anode störungsfrei verläuft. Die Steige- rung der Temperatur insbesondere in der Anode infolge des Stromdurchganges durch die unteren Zonen der noch grünen Masse darf nicht zu schroff und die allmähliche Verkokung der Anodenmasse muss über den ganzen Querschnitt des Anodenblocks möglichst gleichmässig erfolgen.
Nur bei den in dieser Weise angefahrenen Söderbergofen mit neu einzuschaltenden Anoden besteht
Gewähr dafür, dass sich auch der Boden des Ofens gleichmässig erwärmt und nicht schon bald nach der Ein- schaltung durch lokale Überhitzung beschädigt wird, dass die Influssnahme des Ofens (d. h. die Einführung des Kryolith- oder Chiolithofenflusses in festem und/oder flüssigem Zustand in den Ofen unter Aufheben der Anode und Einführen von flüssigem Aluminium) ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann, die weitere gleichmässige Verkokung der Söderberganode während des Ofenbetriebes gesichert ist und der Ofengang zu günstigen Betriebswerten führt.
Der Ausgangszustand bei der Neueinschaltung der Söderbergöfen ist im allgemeinen folgender :
Auf den Boden der Ofenwanne, die gewöhnlich mit gestampfter Kohlenmasse oder mit Kohleblöcken und gestampften Kohleseitenwänden ausgekleidet ist, wird die zunächst aus grüner (ungebackener) Snoder- bergmasse bestehende Anode direkt aufgesetzt. Da die Söderbergmasse noch weich ist und der Anodenrahmen nicht bis auf den Boden heruntergefahren wird, muss in den Anodenrahmen eine Blechwanne (Tasse) eingesetzt werden, deren Boden auf dem Boden der Ofenwanne aufsitzt, um zu erreichen, dass der aus grüner Söderbergmasse gebildete Anodenblock auch in seinem unteren Teil die dem Anodenquerschnitt entsprechende Form bewahrt.
Zwischen Blechwannenboden und Boden der Kohlewanne wird im allgemeinen eine Lage Koksgriess angeordnet, um den Kontakt zwischen Wannenboden und Ofenwanne zu verbessern.
In die grüne Söderbergmasse werden die Strombolzen eingeführt, die der Übertragung des Stromes aus den anodischen Zuleitungen in die Söderbergmasse dienen.
Nach Einschaltung des Ofens bei aufgesetzter Anode fliesst der Strom über die anodischen Zuleitungen durch die Strombolzen in die Söderbergmasse, aus dieser in den Ofenboden und durch die kathodischen Bodenableitungen aus dem Ofen heraus in den nächsten Ofen.
Durch die Stromwärme in der grünen Söderbergmasse wird der Verkokungsvorgang eingeleitet. Sobald der untere Teil des Anodenblocks verkokt ist, kann der Ofen mit Fluss und Metall gefüllt und die Anode so gehoben werden, dass der erforderliche Elektrodenabstand zwischen Anodenunterfläche und Metall hergestellt und der elektrolytische Vorgang auf diese Weise eingeleitet wird.
Bei Beginn der Entwicklung der Söderbergöfen hat man die Inbetriebnahme solcher Öfen mit neu einzuschaltenden Anoden häufig so vorgenommen, dass man die Stromzuführungsbolzen in die noch grüne Söderbergmasse eingetrieben und keinerlei leitende Verbindung zwischen den Spitzen der Stromzufüh- rungsbolzen und der Anodenblechwanne bzw. dem Boden der Ofenwanne hergestellt hat. Um den Strom jedoch durch den Ofen hindurchzuleiten, hat man, da die grüne Söderbergmasse noch nicht elektrisch
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leitend ist, aussen an der Anode metallische Verbindungen, u. zw. zwischen den Köpfen der Stromzufüh- rungsbolzen und dem Blechwannenboden hergestellt.
Auf diese Weise wurde die Anode von unten her er- wärmt und der Verkokungsvorgang an einzelnen Stellen im unteren Teil des noch grünen Anodenblocks und damit der Stromdurchgang durch diese Zonen eingeleitet.
! Dieses Verfahren stellte sich als durchaus ungenügend heraus, denn auf diese Weise nahmen einzel- ne Stromzuführungsbolzen mehr und mehr Strom auf und'die die Stromzuführungsbolzen umgebende An- odenmasse wurde zu rasch verkokt und häufig sogar überhitzt, während andere Zonen der Anode zunächst völlig unverkokt blieben. Die Folgen hievon waren ungleichmässige Verkokung des Anodenblocks, dieEnt- stehung von Zonen schlecht verkokter, poröser Masse und Wärmerisse, die sich für den ganzen späteren ) Betrieb nachteilig auswirkten.
Um eine gleichmässige Verkokung der Anode beim Einschaltvorgang zu erreichen, hat man dann spä- ter zwischen den Stromzuführungsbolzen und der Anodenblechmasse im Inneren der Anode vor dem Ein- füllen der grünen Söderbergmasse stromleitende Elemente angebracht. So hat man z. B. von den Spitzen der Stromzuführungsbolzen ausgehend bis zur Bodenblechwanne elektrische Verbindungen aus metallischen i Bändern oder Spiralen hergestellt. Darauf wurde dann in den Anodenrahmen bzw. den Blechwannenboden die grüne Söderbergmasse eingefüllt. Statt metallischer Verbindungen hat man zum Teil auch dünne Gra- phitstäbe verwendet, die man zwischen den Spitzen der Stromzuführungsbolzen und dem Blechwannenbo- den anordnete.
Auf diese Weise wurde erreicht, dass der Strom nach dem Einschalten zunächst durch die leitenden Verbindungen zwischen Stromzuführungsbolzen und Blechwannenboden bzw. Ofenboden floss, sich diese leitenden Verbindungen infolge des Stromdurchganges erwärmten, wodurch wiederum eine Erwärmung der grünen Masse in der Umgebung dieser leitenden Verbindungen und der Stromzuführungsbolzen eintrat und so in diesen Zonen der Verkokungsvorgang eingeleitet wurde.
Auch dieses Verfahren hat sich jedoch als noch unvollkommen erwiesen, da die Verkokung der grü- nen Masse auf diese Weise von verhältnismässig eng begrenzten Zonen ausgeht und in diesen Zonen Strom- überlastungen auftreten, die zu einer ungleichmässigen Verkokung des Anodenblockes führen. Mit der
Verwendung von Graphitstäben ist der weitere Nachteil verbunden, dass diese mit der umgebenden Koh- lemasse nicht binden und nicht so wie diese im Ofenfluss dem Abbrand unterliegen. Die Folge davon ist, dass die Graphitstäbe beim Abbrand der Anode aus dieser herausfallen, in den Fluss gelangen und hier zu
Störungen des Ofenganges Anlass geben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren für die Inbetriebnahme von neu ein- zuschaltenden Söderberganoden, durch das die oben angeführten Nachteile der bisherigen Verfahren ver- mieden werden.
Vor dem Einfüllen der grünen Söderbergmasse werden erfindungsgemäss zwischen den freien Enden der
Stromzuführungsbolzen und dem Blechwannenboden schwach verkokte, vorzugsweise zylindrische Körper aus Kohlemasse (Kohlekerzen) der gleichen oder annähernd gleichen Zusammensetzung wie die grüne
Söderbergmasse, so angeordnet, dass die Stromzuführungsbolzen mit einem leichten Pressdruck oben auf diesen Kohlekerzen aufliegen und die Kohlekerzen selbst unten mit einem leichten Druck auf dem Blechwannenboden aufsitzen Zwischen der unteren Fläche der Kohlekerzen und dem Boden der Blechwanne ist zweckmässigerweise eine dünne Schicht von Koksgriess anzuordnen.
Wenn die selbstbackende Anode mit vertikalen Stromzuführungsbolzen ausgerüstet ist, wofür sich die erfindungsgemäss benützten Kohlekerzen besonders gut eignen, sollen vorzugsweise zylindrische Kohleker- zen verwendet werden, deren Durchmesser zweckmässigerweise das 1, 2- bis 3fache des Durchmessers der
Stromzuführungsbolzen in ihrem unteren Teil beträgt. Die Kohlekerzen werden durch Stampfen in einer hiefür geeigneten Form, durch Pressen unter Verwendung einer Block- oder Strangpresse oder durch Vibrieren auf einem Rütteltisch in einer geeigneten Form hergestellt. Vorteilhafterweise sind auf ihrem Umfang Nuten oder Riefen. anzuordnen, um die Kontaktfläche mit der Elektrodenmasse zu vergrössern. Man kann auch mit Vorteil die zylindrischen Kohlekerzen an ihrem Umfang durch mechanische Mittel aufrauhen.
Die Kohlekerzen können beispielsweise folgendermassen zusammengesetzt sein :
EMI2.1
<tb>
<tb> 155 <SEP> Pechkoks, <SEP> Grobkorn <SEP> 1, <SEP> 68 <SEP> bis <SEP> 3, <SEP> 36 <SEP> mm
<tb> 520/0 <SEP> Pechkoks, <SEP> Mittelkorn <SEP> 0, <SEP> 21 <SEP> n <SEP> 1, <SEP> 68 <SEP> mm <SEP>
<tb> 33% <SEP> Pechkoks, <SEP> Feinkorn <SEP> 0"0, <SEP> 21mm <SEP>
<tb>
Diesem Trockenstoff wird soviel Mittelhartpech zugesetzt, dass der Pechgehalt der gesamten Masse beispielsweise 16, älo beträgt.
Der Pechzusatz kann beispielsweise In den Grenzen zwischen 13 und 25% schwanken ; er soll, um den beabsichtigten Zweck der guten Bindung zwischen Kohlekerze und umgeben-
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der Anodenmasse zu erreichen, jedoch mindestens 3%, vorzugsweise le unter dem Pechgehalt der letz- teren liegen (der Pechgehalt der Anodenmasse beträgt im allgemeinen je nach Kornzusammensetzung und
Art des verwendeten Kohlentrockenstoffes 25-35%).
Die Kohlekerzen werden ausserhalb des Söderbergofens vor ihrem Einsatz in geeigneten Brennkammern bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur gebacken und dann in diesem schwach verkokten Zustand im Söderbergofen eingesetzt. Als geeigneter Verkokungstemperaturbereich hat sich der Bereich zwischen
500 und IOOO C, vorzugsweise zwischen 600 und 7500C herausgestellt. Dieser Temperatur werden die
Kohlekerzen während etwa 12 - 48 Stunden ausgesetzt. Der gesamte Verkokungsvorgang dauert 1 - 10, vorzugsweise etwa 3-4 Tage. Als Dauer des Verkokungsvorganges ist dabei die Zeit zu rechnen, die vom ) Zeitpunkt der Erreichung einer Temperatur von 3000C beim Aufheizen bis zur Wiedererreichung der glei- chen Temperatur beim Abkühlen verstreicht.
Zweckmässigerweise werden die zylindrischen Kohlekerzen an der oberen Fläche, wo der Bolzen auf- sitzt, mit einer der Spitze des Bolzens angepassten Vertiefung versehen. in die der Bolzen mit Spiel eingeführt wird. Der Zwischenraum zwischen Bolzen und Wand der Vertiefung wird zweckmässigerweise mit Kohlestampfmasse ausgestampft und auf den Boden der Vertiefung eine Schicht Graphitpulver einge- bracht.
Die Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung an einem Aluminiumelektrolyse-
EMI3.1
ebenfalls schematisch, in Draufsicht unter Weglassung der Stromleitungen zur Anode, der Stromableitungen von der Kathode und der Aufhängevorrichtung der Anode den Anfahrzustand beim Einschalten eines Söderbergofens unter Benützung der erfindungsgemäss vorgesehenen Kohlekerzen. Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab eine Kohlekerze zwischen dem unteren Teil eines Stromzuführungsbolzens 4 und dem
Kohleboden.
1 ist die Ofenwanne der Aluminiumelektrolysezelle, 2 der Kohleboden und 3 die seitenwand aus Kohi le. Mit 4 sind die vertikalen Stromzuführungsbolzen bezeichnet, mit 5 der Anodenmantel und mit 6 die für das Anfahren benötigte Blechwanne (Blechtasse). Diese besteht aus 1 - 2 mm dickem Eisenblech. An den Rand der Wanne ist ein vertikaler Mantel aus 1 - 2 mm dickem Aluminiumblech angenietet, der die
Elektrode seitlich umgibt und im Anodenmantel 5 gleitet. Zwischen Blechwannenboden und Stromzufüh- rungsbolzen sind die erfindungsgemässen Kohlekerzen 7 angeordnet. 8 ist die flüssig eingefüllte Söderbergmasse.
In Fig. 3 ist zwischen dem Boden der Blechwanne 6 und dem Kohleboden 2 der Ofenwanne Koksgriess in einer dünnen Schicht 9 gleichmässig ausgebreitet ; die Blechwanne ist auf diese Schicht aufgedrückt.
Die schwach verkokte Kohlekerze 7 ist zur Vergrösserung ihrer Fläche am Umfang mit Nuten 10 versehen und in eine Schicht 11 von Koksgriess, mit welcher der Blechwannenboden 6 bedeckt ist, eingedrückt. In ihrem oberen Teil ist eine kreisrunde Vertiefung 12 ausgespart, in die der Stromzuführungsbolzen 4 ein- gelassen und eingedrückt wird. Auf de m Boden der Vertiefung ist eine Schicht Graphitpulver 13 angeordnet, die den elektrischen Kontakt zwischen Bolzen 4und Kohlekerze 7 verbessert. Der Durchmesser der Vertiefung ist etwas grosser als derjenige des unteren Teiles des Bolzens.
In den seitlichen Zwischenraum zwischen dem Bolzen und der Wandung der Vertiefung wird Kohlestampfmasse 14 eingestampft.
Die auf diese Weise eingesetzte Kohlekerze stellt eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen
Bolzen und Boden der Ofenwanne Nach Anordnung sämtlicher Kohlekerzen zwischen Bolzen und Blechwannenboden wird die grüne Söderbergmasse in die Anode eingefüllt, u. zw. so, dass die Kohleker- zen um mindestens 5 cm überdeckt werden.
Die Vorteile, die sich aus der Verwendung dieser Kohlekerzen für die Einschaltung von Söderberg- anoden ergeben, sind folgende :
Im Gegensatz zu metallischen Verbindungen oder Graphitstäben als leitenden Elementen zwischen Stromzuführungsbolzen und Blechwannenboden weisen diese schwach verkokten Kohlekerzen einen verhältnismässig hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der etwa zwischen 80 - 150 Ohm cm-l cm bei 200C liegen dürfte. Immerhin besteht trotz diesem erhöhten elektrischen Widerstand noch eine durchaus gute Stromverbindung zwischen Bolzen und Boden der Ofenwanne.
Wegen ihres gegenüber den vorge- nannten Verbindungskörpern erhöhten spezifischen Widerstandes stellen die Kohlekerzen aber eine Art Vorwiderstand dar, der bewirkt, dass die Stromstärke in allen Bolzen gut ausgeglichen wird, so dass sich daraus eine gleichmässige Stromverteilung in der Anode beim Einschaltvorgang ergibt.
Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag werden schwach verkokte Kohlezapfen verwendet, um bei im Betrieb befindlichen Söderberganoden die durch den Stromzuführungsbolzen gebildeten Bolzenlöcher auszufüllen, da diese schwach verkokten Kohlezapfen mit der stärker verkokten Söderbergmasse
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der Umgebung eine gute mechanische und elektrische Verbindung eingehen.
Es war nicht vorauszusehen, dass schwach verkokte Kohlekerzen gemäss der Erfindung mit grüner Söderbergmasse bei Stromdurchgang ebenfalls eine gute elektrische und mechanische Verbindung ergeben, denn es ist ein Unterschied, ob man Kohlekörper eines geringerenverkokungsgrades in eine stärker verkokte Kohlemasse fest eintreibt, oder ob bereits angekokte Kohlekörper von flüssiger Söderbergmasse, ohne dass diese Masse unter höherem Pressdruck steht, lose umgeben sind. Ausserdem sind die Wärmeausdehnungsverhältnisse, Leitfähigkeitsverhältnisse und das Verhältnis der spezifischen Wärme zwischen Kohlekörper und umgebender Masse in beiden Fällen völlig verschieden.
Systematische Versuche haben ergeben, dass die schwach verkokten Kohlekerzen gemäss der Erfindung überraschenderweise eine ausserordentlich gute mechanische und elektrische Verbindung mit der umgebenden Masse bei dem Verkokungsvorgang ergeben. Diese Verbindung wird begünstigt durch die Nutung, Riefung oder Aufrauhung der Kohlekörper an ihrem äusseren Umfang.
Die Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dass der Durchmesser der Kohlekerzen, wie erwähnt, grösser sein muss als der Durchmesser des Bolzens in seinem unteren Teil. Dadurch wird die umgebende grüne Kohlemasse, sobald die Kohlekerzen Strom aufgenommen haben, in so breiter Zone um die Kohlekerzen herum gebacken, dass die Verkokungszonen um die einzelnen Kohlekerzen ineinander übergehen, wobei eine durchaus gleichmässige Verkokung des gesamten Anodenblocks über den ganzen Querschnitt erreicht wird.
Während des Stromdurchganges unterliegen die im schwach verkokten Zustand eingesetzten Kohlekerzen natürlich ebenfalls einem weiteren Verkokungsvorgang, wodurch ihr spezifischer Widerstand allmählich auf den Endwert einer völlig verkokten Söderbergmasse zurückgeht.
Bei der oben angegebenen Grösse, Dimensionierung und Anordnung der Kohlekerzen geht dieser Verkokungsvorgang so langsam vor sich, dass die Verkokung der umgebenden Söderbergmasse damit Schritt hält, so dass keine lokalen Überhitzungen, u. zw. weder der Kohlekerzen noch der an die Kohlekerzen angrenzenden Zonen der Anodenmasse eintreten können.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich auch mit Vorteil bei selbstbackenden Anoden mit seitlich eingeführten Stromzuführungsbolzen anwenden. Ausserdem ist seine Anwendung nicht auf selbstbackende Anoden beschränkt, bei denen die Masse in flüssigem oder breiige Zustand zugeführt wird ; das Verfahren kommt auch bei Anoden in Frage, die aus vorgeformten Blöcken aus ungebackener Kohlemasse zusammengesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Inbetriebnahme von Aluminiumelektrolysezellen mit selbstbackender Anode und Stromzuführungsbolzen, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Blechwanne (6) enthaltene ungebackene Kunstkohlemasse (8), welche die Anode bilden soll, in ihrem unteren Teil zunächst dadurch verkokt wird, dass zwischen den Enden der Stromzuführungsbolzen (4) und dem zu Beginn auf dem Kohleboden (2) der Elektrolysezelle aufsitzenden Wannenboden schwach verkokte Körper aus Kunstkohlemasse (Kohlekerzen) (7) angeordnet werden, und ein elektrischer Strom durch Stromzuführungsbolzen (4), Kohlekerzen (7), Boden der Blechwanne (6) und Kohleboden (2) der Elektrolysezelle geschickt wird.