CH496932A

CH496932A - Auskleidung für Wannen-Öfen zur Aufnahme von geschmolzenem Metall

Info

Publication number: CH496932A
Application number: CH146768A
Authority: CH
Inventors: Bacchiega Roberto; Olah De Garab Giorgio
Original assignee: Montedison Spa; Varda Giuseppe De
Priority date: 1967-02-01
Filing date: 1968-01-31
Publication date: 1970-09-30
Also published as: DE1608030A1; ES350013A1; US3514520A; AT290153B; BE710194A; FR1553345A; NO121622B

Description

Auskleidung für Wannen-Öfen zur Aufnahme von geschmolzenem Metall
Die Erfindung bezieht sich auf eine Auskleidung für Wannen-Öfen, die geschmolzene Metalle allein oder zusammen mit geschmolzenen Salzen enthalten, in erster Linie für Öfen für die Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxyd in einem Kryolithbad zur Aluminiumherstellung.

Die Erfindung ist insbesondere darauf gerichtet, auf völlig neue Weise eines der wichtigsten, bei der Konstruktion derartiger Öfen auftretenden Probleme, nämlich die sog. Abdichtung derselben, zu lösen.

Es handelt sich hier darum, das Durchsickern der geschmolzenen Metalle durch das die Seitenwände sowie den Boden des Ofens bildende Material zu vermeiden. Das Problem ist beim Bau von Elektrolyse öfen, wie z. B. solche für die Herstellung von Aluminium und Magnesium, besonders schwerwiegend. Bei diesen Öfen ist die Innenfläche der Wanne, die das geschmolzene Metall und das übrige Bad enthält, im allgemeinen mit einer oder mehreren Schichten aus speziellen feuerfesten Steinen oder vorgebrannten Kohleblöcken oder aus kohlenstoffhaltigem Material überhaupt ausgekleidet, die in unmittelbarer Berührung mit dem Schmelzbad und/oder dem geschmolzenen Metall stehen. An diese Steine oder Blöcke oder das kohlenstoffhaltige Material werden feuerfeste Steine und wärmeisolierende Steine angelegt.

Die Unterbrechungen und Spalten, die sich in der Wanne gebildet haben können, stellen Bereiche dar, in denen die in der Wanne enthaltene Flüssigkeit, in erster Linie das geschmolzene Metall, leicht entweichen kann. Letzteres besitzt tatsächlich eine Erstarrungstemperatur, die wesentlich niedriger als diejenige des Schmelzbades ist, in dem es hergestellt wird.

Bei den mehrzelligen Elektrolyse öfen mit hängenden zweipoligen Elektroden zur Aluminiumherstellung liegt beispielsweise auf einer Innenschicht aus speziellem feuerfestem Material, wie siliciumnitridgebundenes Siliciumkarbid, das mit dem Kryolithbad in Berührung steht, häufig eine Schicht aus kohlenstoffhaltigem Material. Auf diese Schichten folgen, nach aussen hin betrachtet, eine oder mehrere Lagen wärmeisolierender Stoffe und das Ganze wird von einem Eisenmantel umgeben.

Die üblichen, bei der Schmelzflusselektrolyse verwendeten Elektrolyseöfen weisen ähnliche Wannen auf, die jedoch gewöhnlich keine Innenauskleidung mit einem speziellen feuerfesten Material besitzen. Die Kohle - entweder in Blöcken oder als Stampfmasse -, die die Kathode bildet, ist in unmittelbarer Berührung mit dem Bad und/oder dem Metall, d.h. mit der Schmelze des Elektrolyseofens.

Sowohl bei den erwähnten Mehrzellenöfen als auch in den genannten üblichen Öfen tritt der Nachteil des Entweichens von geschmolzenem Aluminium ziemlich häufig auf; dies ist sehr schwerwiegend, da deswegen der Betrieb des Ofens unterbrochen werden muss, damit die innere feuerfeste Auskleidung bzw. die Kohlekathodenschicht erneuert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil ganz oder zumindest weitestgehend zu beseitigen und Massnahmen beim Aufbau von Öfen der genannten Art zur elektrolytischen Herstellung oder Umschmelzung von Aluminium vorzusehen, durch die ein Versickern von flüssigem Metall verhindert wird.

Die erfindungsgemässe Auskleidung für Wannen Öfen zur Aufnahme von geschmolzenem Metall, insbesondere Leichtmetall, mit Mitteln, zur Abdichtung gegen Durchsickern des geschmolzenen Metalls ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung Schutzschichten aus Siliciumkarbid in inkohärentem Zustand aufweist, die zwischen den Wannen-Baustoffschichten eingebettet sind.

Tatsächlich wurde überraschenderweise gefunden, dass Siliciumkarbid in einem inkohärenten Zustand, d.h. in Pulver- oder Körnchenform, ohne Bindemittel, selbst in einer sehr dünnen Lage und auch bei handels üblicher Körnchengrösse, ein praktisch unüberwindliches Hindernis für das geschmolzene Metall und insbesondere für geschmolzenes Aluminium bildet, auch wenn es mit dem elektrolytischen Bad, z. B. geschnol- zenem Kryolith vermischt ist. Es genügt daher normalerweise, zwischen die Baustofflagen der Ofenwannen Schichten dieses Materials einzubringen und/oder das Siliciumkarbid in die Zwischenräume zwischen den Steinen und/oder den Kohleblöcken einzufüllen, um das Durchsickern des Aluminiums und den damit verbundenen Schaden zu verhindern.

In der Praxis erfolgt die Herstellung derartiger Schichten vorzugsweise durch Verteilen des inkohärenten Siliciumkarbids zwischen den Lagen der Bodenkohlen der Öfen und durch Einbringen desselben in die Zwischenräume, die zu diesem Zweck in den Seitenwänden der Wannen selbst gelassen wurden.

Es wurde festgestellt, dass Schichten von 1 cm und mehr eindeutig wirksam waren; es stellte sich jedoch auch heraus, dass bereits sehr dünne Schichten (z. B.

von 1 mm und mehr) die gleiche überraschende Wirkung erzielen.

Im Falle von mehrzelligen Elektrolyseöfen mit zweipoligen Elektroden, deren Kohlewannen ganz mit feuerfesten Steinen aus speziellem Material, z.B. siliciumnitridgebundenem Siliciumkarbid, ausgekleidet sind, wird die pulverförmige oder granulierte Siliciumcarbidschicht vorzugsweise zwischen der Lage aus feuerfesten Steinen,die die Innenauskleidung bilden, und der benachbarten Lage aus Kohlematerial vorgesehen. Bei herkömmlichen Elektrolyseöfen mit kathodischen Wannen wird die Schicht aus pulverförmigem oder gekörntem Siliciumkarbid ganz um die Schicht aus Kohleblökken oder Kohlestampfmasse herum und unterhalb derselben angeordnet, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass die kathodischen Eisenstäbe elektrisch nicht isoliert werden.

Dies lässt sich aber leicht erreichen, da erfahrungsgemäss die Zonen, in denen der Alumiumverlust am grössten ist und die daher am ehesten eines Schutzes im Ofen bedürfen, die Randbereiche des Ofenbodens sind, d.h. diejenigen Stellen, die den Boden mit den Seitenwänden verbinden. In Umschmelzöfen für Aluminium wird z.B. die Schutzschicht aus Siliciumkarbidpulver oder -granulat auf die Aussenseite einer ersten Lage feuerfester Steine aufgebracht, d.h. auf die Seite, welche mit dem geschmolzenen Metall in unmittelbarer Berührung steht.

Nachstehend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt entsprechend der Längs achse der Wanne eines herkömmlichen Aluminiumelektrolyseofens, der mit einpoligen Elektroden (An oden) und einem kathodischen Boden arbeitet;
Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt der kathodischen Wanne von Fig. 1 in grösserem Masstab;
Fig. 3 einen axialen Längsschnitt der Wanne eines Mehrzellenofens;
Fig. 4 einen Querschnitt der Wanne von Fig. 3.

Aus Fig. 1 und 2 sind folgende Teile ersichtlich: ein äusserer Eisenmantel 1; vorgebrannte Anthrazitkohlenblöcke 2; die Seitenwände 3 der Wanne, ebenfalls aus vorgebrannter Anthrazitkohle; eine in situ gebrannte Anthrazitstampfmasse 4; eiserne Kathodenstäbe 5; die Zwischenlage 6 aus Siliciumkarbidpulver oder -körnchen, welche zum besseren Verständnis nicht masstabsgerecht gezeichnet ist, sondern offensichtlich eine grössere Dicke aufweist, als es erforderlich wäre. Bei herkömmlichen Elektrolyseöfen zur Herstellung von Aluminium von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art ist es zweckmässig, Siliciumkarbidpulver oder -granulat auch zwischen den einzelnen Kohleblökken des Bodens am niedrigsten Teil desselben, d.h. in den Bereichen 7, vorzusehen und es mit Kohlestampfmasse 4 zu bedecken, so dass der Behälter die erforderliche Kontinuität des durch die Kohle gebildeten Teils aufweist.

Die Verbindungsstelle der Kohleblöcke und der Stampfmasse ist mit 8 bezeichnet, während das Fundament und die Seitenränder aus Ziegelsteinen das Bezugszeichen 9 tragen. Fig. 3 und 4 zeigen eine Schicht aus Siliciumkarbidpulver oder -granulat 10, die Innenauskleidung 11 aus speziellem feuerfestem Material, sowie die (aus Stampfmasse oder Blökken bestehende) Kohleschicht, welche die Wanne selbst bilden, ferner eine äussere Isolierlage 13 (feuerfest und/oder wärmeisolierend) und einen Eisenmantel 14.

Bei Öfen der hier besprochenen Art trifft bekanntermassen die durch die Ofenauskleidung sickernde Badflüssigkeit auf immer niedrigere Temperaturen, je weiter sie nach aussen hin vordringt, bis die Temperatur so niedrig ist, dass die Flüssigkeit in den Poren oder Ritzen erstarrt. Die Gesamtheit derjeniger Punkte in der Masse der Ofenauskleidung, welche eine Tempe- ratur aufweisen, die der Erstarrungstemperatur der Badflüssigkeit entspricht, bilden eine isotherme Fläche, die man Erstarrungsisotherme des Bades in bezug auf den Ofen (oder umgekehrt, des Ofens in bezug auf das Bad) bezeichnen kann. Daraus ergibt sich eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, nach der die Zwischenschicht aus SiC zwischen Erstarrungsisotherme und Bad angeordnet ist.

Ein mehrzelliger Ofen zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, ausgestattet mit einer erfindungsgemässen Schutzschicht und mit Wannen gemäss Fig. 3 und 4, wurde mehrere Monate lang betrieben. Nach dieser Arbeitsperiode wurden Risse im Boden festgestellt; beim Ausbau des Ofens selbst zeigte sich auch ein gewisser Verlust an Elektrolyt. Es stellte sich jedoch heraus, dass letzerer zwischen der Kohleschicht und der äusseren Isolierung erstarrt ist, während das geschmolzene Aluminium überraschenderweise nicht durch die granulierte Siliciumkarbidschicht hindurchgesickert war.

Weitere ähnliche Versuche wurden mit herkömmlichen elektrolytischen, mit einpoligen Elektroden in kathodischen Wannen arbeitenden Aluminiumöfen und auch mit Umschmelzöfen, sogar solchen fehlerhafter Bauart, durchgeführt, wobei die erzielten Ergebnisse die einwandfreie Wirksamkeit des Erfindungsgegenstandes in jedem Fall voll bestätigen.

Gleichzeitig mit diesen unter Verwendung der erfindungsgemässen Siliciumkarbidschichten vorgenommenen Versuchen wurden auch Blindversuche, d.h. solche ohne eine derartige Schicht, jedoch unter denselben Bedingungen durchgeführt; hierbei ergaben sich beträchtliche Metallverluste, wodurch die eigenartige Schutzwirkung des Siliciumkarbids gegen solche Verluste ebenfalls bestätigt wurde.

PATENTANSPRUCH 1
Auskleidung für Wannen-Öfen zur Aufnahme von geschmolzenem Metall, insbesondere Leichtmetall mit

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. zenem Kryolith vermischt ist. Es genügt daher normalerweise, zwischen die Baustofflagen der Ofenwannen Schichten dieses Materials einzubringen und/oder das Siliciumkarbid in die Zwischenräume zwischen den Steinen und/oder den Kohleblöcken einzufüllen, um das Durchsickern des Aluminiums und den damit verbundenen Schaden zu verhindern. In der Praxis erfolgt die Herstellung derartiger Schichten vorzugsweise durch Verteilen des inkohärenten Siliciumkarbids zwischen den Lagen der Bodenkohlen der Öfen und durch Einbringen desselben in die Zwischenräume, die zu diesem Zweck in den Seitenwänden der Wannen selbst gelassen wurden.

Es wurde festgestellt, dass Schichten von 1 cm und mehr eindeutig wirksam waren; es stellte sich jedoch auch heraus, dass bereits sehr dünne Schichten (z. B.

von 1 mm und mehr) die gleiche überraschende Wirkung erzielen.

Im Falle von mehrzelligen Elektrolyseöfen mit zweipoligen Elektroden, deren Kohlewannen ganz mit feuerfesten Steinen aus speziellem Material, z.B. siliciumnitridgebundenem Siliciumkarbid, ausgekleidet sind, wird die pulverförmige oder granulierte Siliciumcarbidschicht vorzugsweise zwischen der Lage aus feuerfesten Steinen,die die Innenauskleidung bilden, und der benachbarten Lage aus Kohlematerial vorgesehen. Bei herkömmlichen Elektrolyseöfen mit kathodischen Wannen wird die Schicht aus pulverförmigem oder gekörntem Siliciumkarbid ganz um die Schicht aus Kohleblökken oder Kohlestampfmasse herum und unterhalb derselben angeordnet, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass die kathodischen Eisenstäbe elektrisch nicht isoliert werden.

Dies lässt sich aber leicht erreichen, da erfahrungsgemäss die Zonen, in denen der Alumiumverlust am grössten ist und die daher am ehesten eines Schutzes im Ofen bedürfen, die Randbereiche des Ofenbodens sind, d.h. diejenigen Stellen, die den Boden mit den Seitenwänden verbinden. In Umschmelzöfen für Aluminium wird z.B. die Schutzschicht aus Siliciumkarbidpulver oder -granulat auf die Aussenseite einer ersten Lage feuerfester Steine aufgebracht, d.h. auf die Seite, welche mit dem geschmolzenen Metall in unmittelbarer Berührung steht.

Nachstehend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt entsprechend der Längs achse der Wanne eines herkömmlichen Aluminiumelektrolyseofens, der mit einpoligen Elektroden (An oden) und einem kathodischen Boden arbeitet; Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt der kathodischen Wanne von Fig. 1 in grösserem Masstab; Fig. 3 einen axialen Längsschnitt der Wanne eines Mehrzellenofens; Fig. 4 einen Querschnitt der Wanne von Fig. 3.

Aus Fig. 1 und 2 sind folgende Teile ersichtlich: ein äusserer Eisenmantel 1; vorgebrannte Anthrazitkohlenblöcke 2; die Seitenwände 3 der Wanne, ebenfalls aus vorgebrannter Anthrazitkohle; eine in situ gebrannte Anthrazitstampfmasse 4; eiserne Kathodenstäbe 5; die Zwischenlage 6 aus Siliciumkarbidpulver oder -körnchen, welche zum besseren Verständnis nicht masstabsgerecht gezeichnet ist, sondern offensichtlich eine grössere Dicke aufweist, als es erforderlich wäre. Bei herkömmlichen Elektrolyseöfen zur Herstellung von Aluminium von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art ist es zweckmässig, Siliciumkarbidpulver oder -granulat auch zwischen den einzelnen Kohleblökken des Bodens am niedrigsten Teil desselben, d.h. in den Bereichen 7, vorzusehen und es mit Kohlestampfmasse 4 zu bedecken, so dass der Behälter die erforderliche Kontinuität des durch die Kohle gebildeten Teils aufweist.

Die Verbindungsstelle der Kohleblöcke und der Stampfmasse ist mit 8 bezeichnet, während das Fundament und die Seitenränder aus Ziegelsteinen das Bezugszeichen 9 tragen. Fig. 3 und 4 zeigen eine Schicht aus Siliciumkarbidpulver oder -granulat 10, die Innenauskleidung 11 aus speziellem feuerfestem Material, sowie die (aus Stampfmasse oder Blökken bestehende) Kohleschicht, welche die Wanne selbst bilden, ferner eine äussere Isolierlage 13 (feuerfest und/oder wärmeisolierend) und einen Eisenmantel 14.

Bei Öfen der hier besprochenen Art trifft bekanntermassen die durch die Ofenauskleidung sickernde Badflüssigkeit auf immer niedrigere Temperaturen, je weiter sie nach aussen hin vordringt, bis die Temperatur so niedrig ist, dass die Flüssigkeit in den Poren oder Ritzen erstarrt. Die Gesamtheit derjeniger Punkte in der Masse der Ofenauskleidung, welche eine Tempe- ratur aufweisen, die der Erstarrungstemperatur der Badflüssigkeit entspricht, bilden eine isotherme Fläche, die man Erstarrungsisotherme des Bades in bezug auf den Ofen (oder umgekehrt, des Ofens in bezug auf das Bad) bezeichnen kann. Daraus ergibt sich eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, nach der die Zwischenschicht aus SiC zwischen Erstarrungsisotherme und Bad angeordnet ist.

Ein mehrzelliger Ofen zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, ausgestattet mit einer erfindungsgemässen Schutzschicht und mit Wannen gemäss Fig. 3 und 4, wurde mehrere Monate lang betrieben. Nach dieser Arbeitsperiode wurden Risse im Boden festgestellt; beim Ausbau des Ofens selbst zeigte sich auch ein gewisser Verlust an Elektrolyt. Es stellte sich jedoch heraus, dass letzerer zwischen der Kohleschicht und der äusseren Isolierung erstarrt ist, während das geschmolzene Aluminium überraschenderweise nicht durch die granulierte Siliciumkarbidschicht hindurchgesickert war.

Weitere ähnliche Versuche wurden mit herkömmlichen elektrolytischen, mit einpoligen Elektroden in kathodischen Wannen arbeitenden Aluminiumöfen und auch mit Umschmelzöfen, sogar solchen fehlerhafter Bauart, durchgeführt, wobei die erzielten Ergebnisse die einwandfreie Wirksamkeit des Erfindungsgegenstandes in jedem Fall voll bestätigen.

Gleichzeitig mit diesen unter Verwendung der erfindungsgemässen Siliciumkarbidschichten vorgenommenen Versuchen wurden auch Blindversuche, d.h. solche ohne eine derartige Schicht, jedoch unter denselben Bedingungen durchgeführt; hierbei ergaben sich beträchtliche Metallverluste, wodurch die eigenartige Schutzwirkung des Siliciumkarbids gegen solche Verluste ebenfalls bestätigt wurde.

PATENTANSPRUCH 1 Auskleidung für Wannen-Öfen zur Aufnahme von geschmolzenem Metall, insbesondere Leichtmetall mit

Mitteln zur Abdichtung gegen Durchsickern des geschmolzenen Metalls, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung Schutzschichten aus Siliciumkarbid in inkohärentem Zustand aufweist, die zwischen den Wannen-Baustoffschichten eingebettet sind.

UNTERANSPRÜCHE 1. Auskleidung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid in Pulverform Verwendung findet.

2. Auskleidung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid in gekörntem Zustand Verwendung findet.

3. Auskleidung nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid mit anderen Stoffen vermischt ist.

4. Auskleidung nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wannen-Baustoffschichten, zwischen denen das Siliciumkarbid eingebettet ist, aus kohlenstoffhaltigem Material bestehen, das mit der in der Wanne befindlichen geschmolzenen Masse in unmittelbare Berührung kommt.

5. Auskleidung nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wannen-Baustoffschichten zwischen denen das Siliciumkarbid eingebettet ist, Schichten aus kohlenstoffhaltigem Material sowie solche aus speziellem feuerfestem Material aufweisen, wobei letztere zwischen den Schichten aus kohlenstoffhaltigem Material und der in der Ofenwanne enthaltenen geschmolzenen Masse vorgesehen sind.

6. Auskleidung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das spezielle feuerfeste Material mit Siliciumnitrid gebundenes Siliciumkarbid ist.

7. Auskleidung nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid auf der Aussenfläche einer ersten, verhältnismässig dünnen inneren Schicht kohärenten Materials der Wanne angeordnet ist.

8. Auskleidung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid mindestens eine ununterbrochene Schicht über alle Wände und den Boden der zu schützenden Wanne bildet.

9. Auskleidung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 7, insbesondere für Ofen mit Elektrodenwannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Siliciumkarbid auf dem Wannenboden Schichten mit solchen Unterbrechungen bildet, dass der Boden nicht isoliert und dessen elektrolytische Funktion nicht beeinträchtigt wird.

10. Auskleidung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschichten aus Siliciumkarbid hauptsächlich in den Bereichen vorgesehen sind, die am meisten zu Metallverlusten neigen.

11. Auskleidung nach den Unteransprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschichten aus Siliciumkarbid hauptsächlich in den Bereichen der Verbindungsstellen zwischen Wannenboden und -wänden vorgesehen sind.

PATENTANSPRUCH II Verwendung der Auskleidung nach Patentanspruch I in Schmelzflusselektrolyseöfen.

UNTERANSPRÜCHE 12. Verwendung nach Patentanspruch II in Öfen, die ausser dem Metall ein Bad aus geschmolzenen Salzen enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumkarbid eine Schicht bildet, die ein in Bezug auf das Bad diesseits bzw. innerhalb der Erstarrungsisotherme der Salzschmelze angeordnet ist.

13. Verwendung nach Unteranspruch 12 bei Öfen zur Herstellung von Aluminium.

14. Verwendung nach Unteranspruch 12 bei Öfen zur Herstellung von Magnesium.

15. Verwendung nach Patentanspruch II und den Unteranspüchen 12 bis 14 bei Öfen mit einpoligen Elektroden und einem kathodischen Boden.

16. Verwendung nach Patentanspruch II und den Unteransprüchen 12 bis 14 bei mehrzelligen Öfen mit zweipoligen Elektroden.

17. Verwendung nach Unteranspruch 16 bei Öfen mit hängenden Elektroden.