Gebrannte Kohleanode für Aluminium-Elektrolyseöfen Die Anodenkohlen von Schmelzfluss-Elek- trolyseöfen sind neben der Abnützung infolge der bei der Elektrolyse auftretenden Reak tionen ausserdem noch einem mehr oder we niger starken Abbrand durch den Luftsauer stoff ausgesetzt.
Von diesem Abbrand wird besonders der obere Teil der Anodenkohlen, der Kohlekopf betroffen, weleher der Luft. ausgesetzt ist. 7e nach der Qualität. der als Elektroden verwendeten Kunstkohlen setzt der Abbrand bei Anwesenheit von Luftsauer stoff an der Oberfläche der Kohlen im all gemeinen bei Temperaturen zwischen 300 und 3:50" C ein, um. bei noch höheren 'Tempera- tttren ztt einem regelrechten Verfall der Aussenzonen der Kunstkohle zu führen.
Die Anodenkohlen erwärmen sich wäh rend des Betriebes infolge der Einwirkung des :Schmelzelektrolyten nach mehrtägigem Einsatz allmählich auf die angegebenen Tem peraturen, wobei sich der obere Teil der Anodenkohlen zunächst noch ausserhalb der vor dem Angriff durch den Luftsauerstoff schützenden Flussdecke befindet. Es findet daher ein Abbrand des Kopfes statt, der erst dann aufhört, wenn die Anode nach Massgabe ihrer Abnützung infolge des Elektrolysevor- ganges in den gasundurchlässigen Teil der Flussdeeke untergetaucht: ist.
Dieser Abbrrand stellt im allgemeinen einen empfindlichen Verlust dar, der sich häufig auch störend auf den Betrieb auswirkt. Die F ig. 1 bis 4 veranschaulichen den Vorgang an dem Beispiel einer bekannten nackten Anodenkohle von 300X 300, mm Quer schnitt und 450 mm Höhe, die in einem Alu minium: E'lektrolyseofen eingesetzt ist-, in dem sich ein Fluss von 220 mm Höhe und von einer Temperatur von '915'0 bis 970 C befindet.
Mit 1 ist der Boden des Elektrolyseofens bezeichnet, mit 2. die Schicht des abgeschie denen Aluminiums, mit 3 die Kryolithschmelze (Floss, Elektrolyt), mit 4 die Flussdecke (die aus Tonerde und Zuschlägen sowie aus er starrtem Fluss besteht), mit '5 der Körper aus gebrannter Kunstkohle und mit 6 der stromzuführende Zapfen aus Eisen.
Nach dem Einsetzen der Anodenkohle 5, 6 (F'ig. 1) erwärmt sich der obere Teil oder Kopf der Kohle erst allmählich. Am ersten 'Tag nach dem Einsetzen herrscht am Kopf noch eine durchschnittliche Temperatur von 180 C, und erst nach 6 Tagen ist die Tem peratur an dieser 'Stelle auf etwa 290 C im Mittel gestiegen.
Die Kohle ist inzwiseheri so weit abgenützt, dass der Kopf nur noch etwa 70 bis 100 mm aus der Flussdecke her ausragt (Fig. 2.), die in einer Dicke von etwa 100 mm auf dem Elektrolyt aufliegt. Die Oberfläche der Flussdecke hat eine Tempera- tur von durchschnittlich 300 bis 50!0 C.
In der Zone zwischen Flussdeeke und Fluss (Kryolithschmelze) herrscht eine Temperatur von etwa 60:0, bis 800 C. Infolge der Erwär- mang durch .Stromdurchgang und Wärme- übertragting atis F'luss und Flossdecke hat die Kohle an der Grenzzone ihres Eintrittes in die Flossdecke eine Temperatur von 3r20 C angenommen. An dieser Stelle hat daher am sechsten Tag nachdem Einsetzen der Kohle der Abbrand bereits begonnen.
Es ist dabei zu bemerken, dass die obere Schicht der Flossdecke mehr oder weniger gasdurchlässig ist, so da.ss der Luftsauerstoff noch an die Oberflächenteile der Kohle gelangen kann, die sich in dieser Zone befinden. Der Abbrand der Kohle geht an diesen Flächen dann so lange weiter, bis der Kopf der Kohle gänz lich in die gasundurchlässige, tiefere Fluss- deckenzone bzw. in den Fluss selbst abgesun ken ist.
Neun Tage nach dem Einsatz ist der Anodenkopf, soweit. er sich noch in der gasdtlrrhlässigen Flussdeckenzone befindet., bereits verhältnismässig stark abgebrannt (Fig. 3), zumal inzwischen die Temperatur am Kopf der Kohle auf 450 C gestiegen ist. Selbst um das in den Kohlekopf hineinra gende Zapfenende herum ist der Kopf' der Kohle bereits angegriffen.
Die Kohle kann daher nicht voll ausge nützt werden. 12' 'Tage nach dem Einsetzen wird der Kohlekopf bereits vom Fluss über spült und der Zapfen am Kopf der Kohle vom Floss angegriffen (F'ig. 4). Die Kohle muss infolgedessen nach zwölf Tagen aus dem Ofen entfernt werden, nachdem sie bis auf einen Stumpf von etwa 17 cm Höhe abgebrannt ist.
Es wurden schon verschiedene Massnah men vorgeschlagen, um diesen störenden Ab brand zu verhindern. :So ist es zum Beispiel an sich bekannt, gebrannte Kohleanoden für die Aluminiumsclnnelzflusselektrolyse mit einem Aluminiummantel zum Schutz der Kohle vor Abbrand zu versehen. Ein gewöhn licher Aluminiummantel schützt jedoch den Kohlekopf nur in unvollkommener Weise. In der, obern gasdurchlässigen Schicht der Fluss decke herrschen Temperaturen zwischen 500 bis 700 C. Schon etwa sechs Tage nach dem Einsetzen der Kohleanode hat sich der Mantel auf 400 bis 500 C erwärmt.
Neun bis zehn Tage nach dein Einsetzen fängt der Alumi niummantel auch am Kopf der Kohle zu schmelzen an, noch bevor der Kohlekopf durch die gasdurchlässige obere Schicht der F'lussdeeke hindurch gelangt ist. Aus diesem Grund findet häufig auch bei in bekannter Weise ummantelten Kohleanoden ein Abbrand am Kohlekopf statt.
Es ist. auch bereits bekannt., das untere Ende des eisernen Stromzuführungszapfens der Kohleanode mit Elektrodenmasse zum Schutze des Eisens vor Angriff durch den Elektrolyten zu umgeben. Die Verwendung einer solchen Manschette allein gewährleistet aber nicht immer den Schutz des eisernen Zapfens. Wenn der Kohl:ekopf abbrennt, lässt sieh eine ausreichende Bindung zwischen der langsam verkokenden Masse der Manschette und dem Kohlekopf nicht. erreichen.
Wird der Kohlekopf dazu noch voni. Floss überspült, so dringt dieser zwischen Manschette und Kohlekopf ein; die Manschette löst sich Lind kann ihre Schtitzwii@kiin- nicht. mehr aus üben.
Diese Massnahmen sind also ungenügend, um mit Sicherheit den Anodenkopf und den eingelassenen Eisenzapfen vor vorzeitigem Abbrand zu schützen.
Die vorliegende Erfindung soll nunmehr diese Nachteile ausschalten. und einen ein wandfreien Schutz des Anodenkopfes und der Eisenzapfen ermöglichen und betrifft. eine gebrannte Kohleanode für Aluminium-Elek- trolyseGfen.
Erfindungsgemäss zeichnet. sich die ge brannte Kohleanode dadurch aus, dass ihr Kohlekdrper auf seiner obern Seite mit einem mindestens 3 cm dicken Aluminiumkopf ver sehen ist, der diese obere Seite deckt. mit Ausnahme mindestens einer freibleibenden Stelle, wo jeweils ein Eisenzapfen in den Anodenkopf eingelassen ist, und mit Aus- nahme des Raumes zwischen Aluminiumkopf und Eisenzapfen, welcher Raum mit Elek- trodenmasse, das heisst. zum Beispiel Kunst kohlemischung, gefüllt ist.
Die zwischen Aluminiumkopf und Eisen zapfen aufgefüllte Elektrodenmasse bildet dann eine Manschette, die im Betrieb a.llmäh- lieh gebacken. wird und bei fortgeschrittener Ahnüt.zun,- der Anode d'en eisernen Zapfen vor denr@ Angriff durch den Elektrolyten schützt.
Der Aluminiumkopf kann bis zum Rand der obern Seite= der Anode reichen. Es ist aber auch möglich, einen schmalen Rand, das heisst einen Rand von 1 bis 2 ein Breite am Umfang freizulassen, welcher Rand zum Aufsetzen einer -Giessform für die Herstel lung des Aluminiumkopfes dienen, kann.
Im folgenden werden Ausführungsbei spiele der Anode dargelegt.
Die höhe des Aluminiumkopfes ist so zu wählen, dass dieser, die obere Fläche der Kohle anode mindestens bis zu dem Augenblick schützt, in welchem letztere so weit in die Flussdeeke eingetaucht ist, dass sie der Ein- wirkung des httftsauerstoffes im. wesent lichen entzogen ist. Demzufolge muss die Dicke eines vollen Aluminiumkopfes über die ganze obere Fläche der Kohleanode minde stens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flul)deeke entsprechen.
Normalerweise beträgt die Dicke der gasdurchlässigen obern Schicht der Flussdeeke@etwa 3 bis 7 ein, wäh rend die Flussdecke normalerweise eine C"Te- samtdieke von etwa 10 cm hat. Bei den übli- ehen Aluminiumfluoridsehmelzfltrsselektrolyse- öfen muss die Dicke a des Aluminiumkopfes (Fing. 6, 10) also mindestens 3 cm betragen.
Bei Kohleanoden mit einem waagrechten Quer schnitt von 300X300 mm beträgt sie vorteil- hafterweise 8 bis 10 ein. Eine allzugmosse Höhe ist ztt vermeiden, da. eine zu starke Abküh lung und daher unnötige Wärmeverluste ent stehen. Es ist zu empfehlen, die höchste Höhe nicht grösser als 15 cm zu wählen.
Der Aluminiumkopf kann die Gestalt einer dicken, der Gestalt des Anodenkopfes ange- passten Scheibe mit zentraler Bohrung haben, doch ist es für das Erreichen. des angestreb ten Schutzes nicht erforderlich, den Alumi- niunrkopf überall gleichmässig dick zu machen.
Es genügt., wenn der Aluminiumkopf am Rande der Kohleanode oder in geringem Abstande davon die erforderliche Mindest höhe aufweist und um den Eisenzapfen eine Hülse bildet, die etwa, dieselbe Höhe auf weist, wie derl Rand und für die Aufnahme der Kohlenmanschette (Manschette aus Elek- trodenmasse) bestimmt ist. Zwischen Rand und Hülse kann der Aluminiumkopf oben hohl ausgebildet sein, das heisst eine tiefe Rinne aufweisen, Dadurch lässt sich die Menge des für die Bildung des Aluminiumkopfes erfor derlichen Metallei und gleichzeitig das Gewicht der am Eisenzapfen angekitteten Anoden kombination herabsetzen.
Das Spiel zwischen Eisenzapfen und Alu miniumkopf beträgt etwa 1 bis 5 cm. Ist das Spiel kleiner als 1 cm, so bietet die einge stampfte oder besser noch eingegossene Man schette aus Kunstkohlemasse keinen genügen den Schutz des eisernen Zapfens gegen den Elektrolyten. Die Kohlemansehette lässt sich getrennt herstellen, indem eine Hülse aus Aluminiumblech um d!en Eisenzapfen ange ordnet und mit Kohlemasse gefüllt wird, wor auf erst das,Giessen des Ahtminiumkühlkopfes stattfindet.
In diesem Fall überragt die Kohle manschette zweckmässig den Aluminitunkühl- kopf, das heisst ihre Höhe wird grösser ge wählt als die Dicke des letzteren; dadurch bleibt der( Eisenzapfen noch besser geschützt nach dem Abschmelzen des Kühlkopfes. Die Kohlemansehette überragt den Kühlkopf um beispielsweise 5 bis 8 cm.
Es ist möglich, den Aluminiumkopf ge sondert herzustellen und sodann auf die Kohleanode, vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels (zum Beispiel von Kohlenteerpech), aufzusetzen. Das einfachste und sicherste Verfahren besteht jedoch darin, den Aluminiumkopf unter Benützung einer passenden Form aufzugiessen. Wenn im Elek- trolyseofen Reinaluminium erzeugt wird, muss dieser Kopf selbstverständlich aus Reinalu- minium bestehen.
Wird dagegen eine Alu miniumlegierung, erzeugt, so, kann der Kopf aus einer entsprechenden oder sonst passenden Aluminiumlegierung hergestellt sein.
Die Fig.5, bis 9 veranschaulichen eines der erwähnten Ausführungsbeispiele der er- findungsgemässen Anode und ihre Absenkung im Laufe der Zeit..
Die Fig. 10 zeigt. als weiteres Ausfüh rungsbeispiel der erfindungsgemässen Anode eine solche, die zwei Kohlekörper besitzt.
Auch in den Fig. 5 bis 9 ist die Sohle der Elektrolysierzelle mit 1, das abgeschiedene, schmelzflüssige Aluminium mit \?:, der Fluorid- elektrolyt mit 3, die Flussdecke mit 4, der Kohlekörper mit 5 und der eiserne Strom zuführungszapfen mit. 6 bezeichnet. Der Kör per 5 aus gebrannter Kohle ist mit. einem Alu- minitunkopf 7 versehen, der zwei umlaufende Rippen 8 und 9 aufweist.
Die Rippe 8 bildet eine Abstrahlungsfläehe, die dien obern Rand der Kohleanoden 5 bis 10' vor vorzeitigem Ab brand schützt, während die Rippe<B>9</B> zur Be grenzung der Manschette 10 aus gegossener Kunstkohlemasse dient, Die Rippe 8 muss nicht unbedingt. unmittelbar am Rand der Kohle anode angeordnet sein, sondern kann auch im Abstand von diesem stehen. An Stelle von zwei Rippen können auch deren mehrere vor gesehen sein.
Nach dem Einsetzen der Kohleanode (Fig.5) in den Ofen sind die Temperatur verhältnisse am Kopf der Kohle noch unge fähr die gleichen wie bei der ungeschützten Kohleanode gemäss Fig.1. Sechs Tage nach dem Einsetzen der Kohleanode (Fig. 6) macht sich bereits die kühlende Wirkung des Alumi niumkopfes bemerkbar. Am obern Rand der Kohleanode beträgt die Temperatur etwa 250 C statt 290 C, wie im Falle der Fig. ?. Ein Abbrand findet noch nicht statt.
Neun Tage nach dem Einsetzen der Kohleanode (Fig.7) ist der Aluminiumkopf noch völlig erhalten; die Temperatur des obern Randes der Kohleanode, der noch unangegriffen ist, hat etwa 300 C erreicht. Nach elf Tagen (Fig.8) befindet sieh der Aluminiumkopf bereits teilweise in der Flussdecke. Auch hier ist der Aluminiumkopf erhalten. Die Rippen ragen noch heraus, wobei der Kopf der Kohle weiterhin gekühlt wird.
Die Temperatur des obern Randes der Kohleanode liegt noch un terhalb der Grenze, bei welcher der Abbrand einsetzt. Erst. wenn der Kohlekopf in die gas undurchlässige untere ,Schicht. der Flussdecke, also um etwa. 3 bis 7 ein eingetaucht ist, steigt, seine Temperatur allmählich auf Werte von über 3.50 C an, und dann beginnt auch der Aluminiumkopf ztt schmelzen.
In diesem Zeitpunkt kann jedoch der Luftsauerstoff nicht mehr an den Kohlekopf gelangen; dieser ist daher vor Abbrand geschützt. Fig. 9 zeigt den Zustand nach 14 Tagen. Der Aluminium kopf ist bereits am 13. Tag abgeschmolzen. Die Kohlemanscliette 1'0 schützt jetzt den Eisenzapfen 6 vor dem Angriff durch den Elektrolyten. Der Vorteil, der durch die be schriebene Ausbildung erreicht wird, lässt sich am Vergleich der Fig. 4 und 9 erkennen. Dank dem. Aluminiumkopf bleibt der -Kohlekopf in seiner Form im wesentlichen erhalten.
Dies bietet auch Gewähr für eine gute Bindung zwischen der verkokenden hasse der Man schette 10 und. dem Kohlekopf, und infolge dessen für den Schutz des Zapfens vor dem Angriff durch den Elektrolyten; auch wenn dieser den Kopf überspült.
Fig. 10 zeigt teilweise im senkrechten Schnitt. eine zwei Kohlekörper 11 besitzende Anode. Der Aluminiumkühlkopf 12. deckt die beiden Blöcke 11 und umfasst diese auch seitlich wie ein Mantel. Der Kühlkopf weist eine äussere, tieferliegende Rippe 13 und zwei innere, höherliegende. Rippen 14 um die Eisenzapfen 6 auf. Der Unterschied in der Höhenlage zwischen der äussern Rippe und den innern Rippen ist durch die Form des Kohlenkopfes bedingt, der hier im Gegen satz zu den Beispielen gemäss Fig.l bis 9 nicht eben ist.