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
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Liner for furnace furnaces to hold molten metal
The invention relates to a lining for furnace furnaces containing molten metals alone or together with molten salts, primarily for furnaces for the fused-salt electrolysis of aluminum oxide in a cryolite bath for aluminum production.
The invention is particularly aimed at solving, in a completely new way, one of the most important problems encountered in the construction of such ovens, namely the so-called sealing of the same.
The aim here is to prevent the molten metals from seeping through the material forming the side walls and bottom of the furnace. The problem is in the construction of electrolysis furnaces, such. B. those for the production of aluminum and magnesium, particularly serious. In these furnaces, the inner surface of the tank, which contains the molten metal and the rest of the bath, is generally lined with one or more layers of special refractory bricks or prebaked coal blocks or of carbonaceous material in general, which are in direct contact with the weld pool and / or stand the molten metal. Refractory stones and heat-insulating stones are applied to these stones or blocks or the carbonaceous material.
The interruptions and gaps that may have formed in the pan represent areas in which the liquid contained in the pan, primarily the molten metal, can easily escape. The latter actually has a solidification temperature which is considerably lower than that of the molten bath in which it is produced.
In the case of multi-cell electrolysis furnaces with hanging two-pole electrodes for aluminum production, for example, an inner layer of special refractory material, such as silicon nitride-bonded silicon carbide, which is in contact with the cryolite bath, is often a layer of carbonaceous material. On the outside, these layers are followed by one or more layers of heat-insulating material and the whole thing is surrounded by an iron jacket.
The usual electrolysis furnaces used in fused-salt electrolysis have similar tanks, which, however, usually do not have an inner lining with a special refractory material. The carbon - either in blocks or as a rammed earth - which forms the cathode is in direct contact with the bath and / or the metal, i. with the melt of the electrolytic furnace.
Both in the aforementioned multi-cell furnaces and in the aforementioned conventional furnaces, the disadvantage of the escape of molten aluminum occurs quite frequently; this is very serious, as the operation of the furnace has to be interrupted so that the inner refractory lining or the carbon cathode layer can be renewed.
The invention is based on the object of completely or at least largely eliminating this disadvantage and of providing measures for the construction of furnaces of the type mentioned for the electrolytic production or remelting of aluminum, which prevent liquid metal from seeping away.
The lining according to the invention for tubs ovens for receiving molten metal, in particular light metal, with means for sealing against seepage of the molten metal is now characterized in that the lining has protective layers of silicon carbide in an incoherent state, which are embedded between the tub building material layers.
Indeed, it has surprisingly been found that silicon carbide in an incoherent state, i. in powder or granular form, without binder, even in a very thin layer and even with commercially available granule size, forms a practically insurmountable obstacle for the molten metal and especially for molten aluminum, even when it is mixed with the electrolytic bath, e.g. B. melted cryolite is mixed. It is therefore usually sufficient to place layers of this material between the layers of building material of the furnace pans and / or to fill the silicon carbide in the spaces between the stones and / or the carbon blocks in order to prevent the aluminum from seeping through and the damage associated therewith.
In practice, such layers are preferably made by distributing the incoherent silicon carbide between the layers of the bottom coals of the furnaces and placing it in the spaces left for this purpose in the side walls of the troughs themselves.
It was found that layers 1 cm and more were clearly effective; however, it also turned out that very thin layers (e.g.
of 1 mm and more) achieve the same surprising effect.
In the case of multi-cell electrolysis furnaces with two-pole electrodes, the coal pans of which are entirely covered with refractory bricks made of special material, e.g. silicon nitride-bonded silicon carbide are lined, the powdered or granulated silicon carbide layer is preferably provided between the layer of refractory bricks which form the inner lining and the adjacent layer of carbon material. In conventional electrolysis furnaces with cathodic troughs, the layer of powdered or granular silicon carbide is arranged completely around and below the layer of carbon blocks or coal rammed earth, but care must be taken that the cathodic iron rods are not electrically insulated.
This can be easily achieved, however, since experience has shown that the zones in which the aluminum loss is greatest and which therefore most likely require protection in the furnace are the edge areas of the furnace floor, i.e. those places that connect the floor to the side walls. In remelting furnaces for aluminum, e.g. the protective layer of silicon carbide powder or granulate is applied to the outside of a first layer of refractory bricks, i.e. on the side that is in direct contact with the molten metal.
Two preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, for example; show it:
Fig. 1 is a longitudinal section corresponding to the longitudinal axis of the tub of a conventional aluminum electrolysis furnace, which works with single-pole electrodes (anodes) and a cathodic bottom.
FIG. 2 shows a partial cross section of the cathodic tub of FIG. 1 on a larger scale; FIG.
3 shows an axial longitudinal section of the trough of a multi-cell furnace;
FIG. 4 shows a cross section of the tub of FIG. 3.
The following parts can be seen from FIGS. 1 and 2: an outer iron jacket 1; pre-burned anthracite coal blocks 2; the side walls 3 of the tub, also made of preburnt anthracite coal; an in situ fired anthracite ramming mass 4; iron cathode rods 5; the intermediate layer 6 made of silicon carbide powder or granules, which is not drawn to scale for a better understanding, but obviously has a greater thickness than would be necessary. In conventional electrolysis furnaces for the production of aluminum of the type shown in Figs. 1 and 2, it is expedient to also place silicon carbide powder or granulate between the individual carbon blocks of the bottom at the lowest part of the same, i.e. in the areas 7, and to cover it with rammed coal 4 so that the container has the required continuity of the part formed by the coal.
The junction of the coal blocks and the ramming mass is denoted by 8, while the foundation and the side edges made of bricks are denoted by 9. 3 and 4 show a layer of silicon carbide powder or granulate 10, the inner lining 11 made of special refractory material, and the carbon layer (consisting of rammed earth or blocks), which form the tub itself, and an outer insulating layer 13 (refractory and / or heat insulating) and an iron jacket 14.
In furnaces of the type discussed here, it is known that the bath liquid seeping through the furnace lining encounters ever lower temperatures the further it penetrates to the outside, until the temperature is so low that the liquid solidifies in the pores or cracks. The entirety of those points in the mass of the furnace lining which have a temperature which corresponds to the solidification temperature of the bath liquid form an isothermal surface, which is called the solidification isotherms of the bath with respect to the furnace (or, conversely, the furnace with respect to the bath ) can denote. This results in a further embodiment of the invention, according to which the intermediate layer made of SiC is arranged between the solidification isotherm and the bath.
A multi-cell furnace for the electrolytic production of aluminum, equipped with a protective layer according to the invention and with tubs according to FIGS. 3 and 4, was operated for several months. After this period of work, cracks were found in the ground; When the furnace itself was removed, there was also a certain loss of electrolyte. However, it turned out that the latter has solidified between the carbon layer and the outer insulation, while the molten aluminum surprisingly did not seep through the granulated silicon carbide layer.
Other similar experiments were carried out with conventional electrolytic aluminum furnaces working with single-pole electrodes in cathodic vats and also with remelting furnaces, even those of defective design, the results obtained fully confirming the perfect effectiveness of the subject matter of the invention in each case.
At the same time as these tests using the silicon carbide layers according to the invention, blind tests, i.e. those without such a layer, but carried out under the same conditions; this resulted in considerable metal losses, which also confirmed the peculiar protective effect of silicon carbide against such losses.
PATENT CLAIM 1
Lining for furnace furnaces to hold molten metal, especially light metal with
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