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PATENTANSPRÜCHE
1. Kathodenelement eines Kathodengefässes zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzfluss elektrolyse, bestehend aus einem Kohlenstoffblock (10) mit mindestens einer in dessen Längsrichtung verlaufenden Aussparung (12) und einem bzw. zwei bei Raumtemperatur im Passsitz eingelegten eisernen Kathodenbarren (22), der/die aus beiden Stirnseiten herausragt/en, dadurch gekennzeichnet, dass regelmässig über die ganze Oberfläche der Aussparung/en (12) im Kohlenstoffblock (10) fein verteilte Erhebungen von geringem Querschnitt ausgeformt sind, welche die anderen Bereiche der Oberfläche überragen und den/die bei Raumtemperatur eingelegten Kathodenbarren (22) tragen bzw. fixieren.
2. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen in der Oberfläche der Aussparung/en (12) im Kohlenstoffblock (10) in Längsrichtung, in Querrichtung und/oder spiralförmig verlaufende Rillenkämme (16) sind.
3. Kathodenelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14) bzw. Rillenkämme (16) im Querschnitt dreieckig, rechteckig, quadratisch, trapezförmig oder sinusförmig ausgebildet sind.
4. Kathodenelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14) eine Höhe (h) von 0,5-5 mm und dreieckförmige Rillen einen Scheitelwinkel (o) von 20-90 haben.
5. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Erhebungen überragten Bereiche bzw. die Rillen (14) mit komprimierbarem Kohlenstoff (24), vorzugsweise aus Graphitpulver oder einer Paste, gefüllt sind.
6. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eingelegte Kathodenbarren (22) mit einer den elektrischen Strom leitenden, temperaturbeständigen Beschichtung (28) versehen ist.
7. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Erhebungen bzw. Rillenkämme (16) im Bereich der Bodenfläche (11) des Kohlenstoffblocks (10) niedriger ausgebildet sind als im Bereich in Richtung von dessen Deckfläche, wobei der Unterschied vorzugsweise 30-70% beträgt.
8. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung/en (12) für den Kathodenbarren (22) eine in Richtung der Bodenfläche (11) des Kohlenstoffblocks (10) offene Nut ist/sind, die vorzugsweise mindestens teilweise einen runden Querschnitt hat/haben.
9. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung/en (12) für den Kathodenbarren (22) eine benachbart der Bodenfläche (11) des Kohlenstoffblocks (10) ausgebildete, geschlossene Bohrung ist/sind.
10. Kathodenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenfläche (18) des Kohlenstoffblocks (10) im Bereich der Aussparung (12) für den Kathodenbarren (22) von oben nach unten zunehmend nach innen verläuft und so eine vorzugsweise keilförmige Ausnehmung bildet, die auf der Bodenfläche (11) die Breite (e) hat.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kathodenelement eines Kathodengefässes zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse, bestehend aus einem Kohlenstoffblock mit mindestens einer in dessen Längsrichtung verlaufenden Aussparung und einem bzw. zwei bei Raumtemperatur im Passsitz eingelegten eisernen Kathodenbarren, der/ die aus den Stirnseiten herausragt/en.
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluorschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluo ridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen.
Durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids entsteht an den Anoden Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff zu C02 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970 "C statt.
Die Innenauskleidung von Kathodengefässen besteht aus Kohlenstoffblöcken, in welchen mindestens ein durchgehender oder in der Mitte getrennte eisene Kathodenbarren ist/ sind. Um zu einem möglichst geringen Spannungsabfall der Zelle beizutragen, muss der elektrische Übergangswiderstand zwischen Kathodenbarren und Kohlenstoffblock möglichst klein sein. Dem Fachmann sind verschiedene Arten zur Verbindung von Kohlenstoffblock und Kathodenbarren bekannt, beispielsweise - Einstampfen mit einer kohlenstoffgebundenen Stampfmasse; - Eingiessen mit Gusseisen; - Einkleben mit einer karbonisierbaren Masse; - Passsitz.
Das Einfügen eines Kathodenbarrens mit Passsitz in einen Kohlenstoffblock ist schon vor einiger Zeit in der J.
Electrochemical Technology, Vol. 5, Nr. 34 (1967), Seiten 152-154, beschrieben worden. Im Kohlenstoffblock wird ein dem Kathodenbarren entsprechendes Loch ausgespart und dieser ohne Stampf-, Guss- oder Klebemasse hineingesteckt.
Diese Methode hat sich jedoch in der Praxis nie bewährt, wohl weil der Kathodenbarren exakt bei Arbeitstemperatur statt an den Kohlenstoff anschliessen müsste. In der Praxis lässt sich dies jedoch kaum durchführen. Während des Elektrolytprozesses mit in Löcher gesteckten Kathodenbarren ist bei kleinsten Ungenauigkeiten entweder der elektrische Übergangswiderstand vom Graphit zum Eisen zu gross, oder es entstehen Risse im Graphitblock, welche die Lebensdauer des Kathodengefässes in untragbarem Masse erniedrigen.
Nach der DE-PS 31 35 083 werden diese Nachteile weitgehend durch folgende Massnahmen behoben: - In jedem Kohlenstoffblock werden in dessen Längsrichtung über mindestens 20% der Länge, ausgehend von beiden Stirnseiten, in Arbeitsposition nach unten offene Nuten ausgespart. Diese entsprechen in bezug auf den Querschnitt bei 500-850 "C exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Kathodenbarren.
- Die ohne Anwendung einer Stampfmasse, von Gusseisen oder einer Klebemasse in die Nuten eingesetzten Kathodenbarren ragen während des Elektrolyseprozesses entlang der ganzen unteren Seitenfläche bzw. Mantellinie aus dem Kohlenstoffblock heraus.
- Ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffblöcke ist ungefähr gleichmässig auf alle Kathodenbarren abgestützt.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die elektrische Verbindung zwischen im Passsitz angeordneten Kathodenbarren und zugehörigen Kohlenstoffblöcken weiter zu verbessern und damit den elektrischen Übergangswiderstand zu erniedrigen, ohne das ein erheblich grösserer Arbeits- oder Materialaufwand in Kauf genommen werden muss.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass regelmässig über die ganze Oberfläche der Aussparung/en im Kohlenstoffblock fein verteilte Erhebungen von geringem Querschnitt ausgeformt sind, welche die anderen Bereiche der Oberfläche überragen und den/die bei Raumtemperatur
eingelegten Kathodenbarren tragen bzw. fixieren.
Der bei Raumtemperatur in den Kohlenstoffblock geschobene Kathodenbarren hat ungefähr den gleichen Durchmesser wie der Kreis, der die zahlreichen, fein verteilten Erhebungen der entsprechenden Aussparung im Kohlenstoffblock berührt.
Ist der Durchmesser des Kathodenbarrens etwas grösser als der Kreis, werden die Erhebungen bei dessen Einschieben etwas abgeschabt. Auch wenn der Durchmesser etwas kleiner ist als der erwähnte Kreis, was insbesondere bei grossen Kathodenbarren der Fall ist, wird noch von Passsitz gesprochen.
Bei Inbetriebnahme der Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium wird die Temperatur von etwa 20 auf 940 bis 970 "C erhöht. Dabei dehnt sich der Kathodenbarren wesentlich mehr aus als der Kohlenstoffblock. Die Oberfläche des Kathodenbarrens drückt bei der Temperaturerhöhung zunehmend auf die Erhebungen der Aussparung. Diese geben dotiert nach, d.h. die beispielsweise als Spitzen bzw. Kämme ausgebildeten Erhebungen brechen kontinuierlich ab und passen sich der vergrösserten Kathodenbarrenform an. Dabei wird der elektrische Kontakt zwischen der Kohle und dem Eisen verbessert, ohne dass sich im Kathodenblock makroskopische Risse bilden. Die Festigkeit und/oder Geometrie der Erhebungen ist so gewählt, dass die auf den Kohleblock übertragene Kraft nicht zur makroskopischen Rissbildung ausreicht.
Dadurch wird das Lebensalter des Kathodengefäs ses insgesamt verlängert.
Weiter wird durch das beim Erwärmen des Kathodenelementes im Kathodengefäss kontinuierliche Abbrechen der Spitzen bzw. Kämme die Anpassungsfähigkeit der Verbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Eisen bedeutend erhöht, was sogar die Anordnung von geschlossenen Aussparungen erlaubt, ohne dass das Kathodenelement wie bisher beim Erwärmen gesprengt wird.
Obwohl die Aussparungen für den Kathodenbarren im Kohlenstoffblock jede bekannte Form annehmen können, sind solche runden Querschnitte bevorzugt. Runde Aussparungen sind sowohl vom fertigungstechnischen Standpunkt aus einfacher zu handhaben als auch in bezug auf die mechanische Stabilität des Kohlenstoffblocks vorteilhafter.
In der Praxis sind die Erhebungen bevorzugte Kämme von in den Aussparungen für die Kathodenbarren ausgeformten Rillen. In Längsrichtung des Kohlenstoffblocks verlaufende Rillen sind für alle geometrischen Formen der Aussparung für den Kathodenbarren vorteilhaft. Insbesondere bei runden Aussparungen können die Rillen sehr gut spiralförmig und/oder in Querrichtung angeordnet sein. Obwohl vorteilhaft nur eine Art von Rillen ausgeformt wird, können durchaus Längs-, Quer- und Spiralrillen kombiniert werden.
Der Querschnitt der Rillen ist vorzugsweise dreieckig ausgebildet, er kann jedoch auch rechteckig, quadratisch, trapezförmig (sich nach oben verengend) oder sinusförmig ausgebildet sein.
Die in der Aussparung für Kathodenbarren ausgesparten Rillen sind zweckmässig 0,5-5 mm tief. Die bevorzugt ausgebildeten, im Querschnitt dreieckförmigen Rillen haben am Rillenkamm einen Scheitelwinkel von insbesondere 20-90 .
Die von den Erhebungen überragten Bereiche bzw. die Rillen, mit anderen Worten die Hohlräume zwischen dem Kohlenstoffblock und dem Kathodenbarren, können mit komprimierbarem Kohlenstoffmaterial aufgefüllt werden, welches die abgebrochenen Spitzen oder Kämme bzw. Bruchstücke davon aufnimmt. Als Füllmaterial ist insbesondere Graphitpulver oder eine petrolhaltige Graphitpaste geeignet.
Das Füllen der Hohlräume mit Kohlenstoff verhindert weitgehend, dass sich diese mit korrosiven Gasen füllen können.
Die Korrosion, welcher insbesondere der eiserne Kathodenbarren ausgesetzt ist, kann noch weitergehend verhindert werden, wenn dieser mit einer den elektrischen Strom leitenden, temperaturbeständigen Schutzbeschichtung versehen ist.
Das Beschichten erfolgt in bekannter Weise, z.B. durch Flammspritzen, Plasmaspritzen oder eine Gasphasenreaktion.
In diesem Zusammenhang wird auf die DE-PS 1 902819 verwiesen.
Bei Anwendung geeigneter Bearbeitungsverfahren können die Erhebungen bzw. Rillenkämme im Bereich der Bodenfläche des Kohlenstoffblocks niedriger ausgebildet sein als im Bereich in Richtung von dessen Deckfläche. Der Unterschied liegt vorzugsweise zwischen 30 und 700/0.
Es ist bereits erwähnt worden, dass die Aussparung/en für Kathodenbarren jede bekannte Form annehmen kann/ können, die runde Querschnittsform jedoch bevorzugt ist.
Üblicherweise sind diese Aussparungen in Richtung der Bodenfläche des Kohlenstoffblocks, d.h. in Arbeitsposition nach unten, offen.
Die mechanische Stabilität der nach unten offenen Aussparungen für die Kathodenbarren kann erhöht werden, wenn mindestens eine Seitenwand des Kohlenstoffblocks im Bereich der Aussparung für den Kathodenbarren von oben nach unten zunehmend nach innen verläuft. Durch diese höchstens einige Millimeter breite keilförmige Verengung kann der durch mehrere nebeneinander gelegte Kohlenstoffblöcke gebildete Boden des Kathodengefässes Ausdehnungen aufnehmen. Auch im erfindungsgemässen Rahmen wird bei der Erwärmung auf Arbeitstemperatur der unterste Bereich der Kohlenstoffblöcke etwas deformiert. Bei Ausbildung einer keilförmigen Ausnehmung in der Seitenwand können sich die den Kathodenbarren umschliessenden Lappen des Kohlenstoffblocks beispielsweise um 1 mm ausdehnen, ohne dass auf den benachbarten Kohlenstoffblock ein unerträglicher Druck ausgeübt wird.
Der durch die keilförmige Ausnehmung gebildete schmale Hohlraum kann beispielsweise mit Fiberfrax gefüllt werden, d-as gegen flüssiges Aluminium beständig ist.
Die Kohlenstoffblöcke können aus jedem an sich bekannten Material hergestellt sein, insbesondere aus amorphem Kohlenstoff, Semigraphit oder Graphit.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Figur 1 eine perspektivische Teilansicht eines Kohlenstoffblocks mit einer im Querschnitt rechteckigen Aussparung,
Figur 2 eine perspektivische Teilansicht eines Kohlenstoffblocks mit einer im Querschnitt runden Aussparung.
Figur 3 einen Schnitt durch den Übergangsbereich des Kohlenstoffblocks zum Kathodenbarren. A in Figur 2, und
Figur 4 einen vertikalen Querschnitt durch einen Kohlenstoffblock mit kreisrunder Bohrung.
Der in Figur I dargestellte Kohlenstoffblock 10 mit im Querschnitt rechteckiger, gegen die Bodenfläche 11 offener Aussparung 12 besteht aus amorphem Kohlenstoff. Die nach unten offene Aussparung 12 hat in Längsrichtung des Kohlenstoffblocks ausgesparte Rillen 14, welche von quadratischem Querschnitt sind. Die Seitenlänge dieser Quadrate liegt bei 2 mm, die Rillen sind also in Figur 1 aus Übersichtlichkeitsgründen weit überdimensioniert dargestellt. In den Kohlenstoffblock 10 wird ein entsprechend den Rillenkämmen dimensionierter, eiserner Kathodenbarren im Passsitz von unten oder seitlich eingeführt.
Der in Figur 2 dargestellte Kohlenstoffblock 10 besteht aus Graphit und hat eine im Querschnitt runde Aussparung 12, die gegen unten teilweise offen ist. In die Aussparung 17 sind spiralförmig angeordnete Rillen 14 eingedreht, welche im Querschnitt dreieckig ausgebildet sind. Die Rillenkämme 16 werden beim hier nur von der Seite möglichen Einschieben der Kathodenbarren leicht abgeschabt und ergeben so einen sehr guten Passsitz.
Der untere, der Höhe der Aussparung 12 entsprechende Teil der in Figur 2 rechten Seitenfläche 18 ist keilförmig eingeengt. Die Einengung e auf der Bodenfläche des Kohlenstoffblocks 10 beträgt 0,5 mm. Werden die Kohlenstoffblöcke 10 zusammengefügt, können sich deren Lappen 20 bei der Temperaturerhöhung notfalls etwas seitlich ausdehnen.
Der in Figur 3 dargestellte horizontale Längsschnitt im Bereich A von Figur 2 zeigt den Übergang vom Kohlenstoffblock 10 zum Kathodenbarren 2 bei Arbeitstemperatur. Figur 3 ist sehr stark vergrössert. Die ursprüngliche Höhe h der Rillen liegt bei 1 mm, deren Scheitelwinkel a bei 40". Bei der Arbeitstemperatur von 950 "C hat sich der eiserne Kathodenbarren 22 stärker ausgedehnt als der Kohlenstoffblock 10.
Dabei sind die unrsprünglichen Rillenkämme 16 abgebrochen. Die Bruchstücke 17 liegen in den mit Graphitpulver 24 gefüllten Rillen 14.
Der Übergangsbereich vom Kohlenstoffblock 10 zum Kathodenbarren 22 erlaubt einen sehr guten elektrischen Kontakt. Beim Abbröckeln der Rillenkämme 16 haben sich im Kohlenstoffblock nur mikroskopische, lokal begrenzte Risse (26) gebildet.
Mit 28 ist die fakultative Beschichtung des Kathodenbarrens 22 mit einer etwa 30 um dicken Schicht, die beipsielsweise auf Siliziumkarbid oder Titandiborid besteht, bezeichnet.
In Figur 4 ist ein vertikaler Querschnitt durch einen Kohlenstoffblock 10 gezeigt, welcher benachbart seiner Bodenfläche eine geschlossene Aussparung 12 hat, die als kreisrunde Bohrung ausgebildet ist. Diese Bohrung ist mit Querrillen versehen, welche im Schnitt nicht sichtbar sind.
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PATENT CLAIMS
1. cathode element of a cathode vessel for the production of aluminum by means of melt flow electrolysis, consisting of a carbon block (10) with at least one recess (12) running in its longitudinal direction and one or two iron cathode bars (22) inserted in a snug fit at room temperature protrudes from both end faces, characterized in that finely distributed elevations of small cross-section are formed regularly over the entire surface of the recess (s) (12) in the carbon block (10), which protrude beyond the other areas of the surface and that at room temperature Wear or fix the inserted cathode bar (22).
2. Cathode element according to claim 1, characterized in that the elevations in the surface of the recess (s) (12) in the carbon block (10) in the longitudinal direction, in the transverse direction and / or are spiral-shaped groove combs (16).
3. The cathode element according to claim 2, characterized in that the grooves (14) or groove combs (16) are triangular, rectangular, square, trapezoidal or sinusoidal in cross section.
4. Cathode element according to claim 3, characterized in that the grooves (14) have a height (h) of 0.5-5 mm and triangular grooves have an apex angle (o) of 20-90.
5. The cathode element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the areas protruding from the elevations or the grooves (14) are filled with compressible carbon (24), preferably from graphite powder or a paste.
6. Cathode element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inserted cathode bar (22) is provided with a temperature-resistant coating (28) which conducts the electrical current.
7. Cathode element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the height (h) of the elevations or groove combs (16) in the area of the bottom surface (11) of the carbon block (10) are formed lower than in the area in the direction thereof Cover area, the difference is preferably 30-70%.
8. Cathode element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the recess (s) (12) for the cathode bar (22) in the direction of the bottom surface (11) of the carbon block (10) is / are open, which are preferably at least partially has a round cross-section.
9. Cathode element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the recess (s) (12) for the cathode bar (22) is / are a closed bore formed adjacent to the bottom surface (11) of the carbon block (10).
10. The cathode element according to claim 8, characterized in that at least one side surface (18) of the carbon block (10) in the region of the recess (12) for the cathode bar (22) runs increasingly inwards from top to bottom and thus forms a preferably wedge-shaped recess , which has the width (e) on the bottom surface (11).
The invention relates to a cathode element of a cathode vessel for the production of aluminum by means of melt flow electrolysis, consisting of a carbon block with at least one recess running in its longitudinal direction and one or two iron cathode bars inserted into the fit at room temperature, which protrudes from the end faces .
For the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide, this is dissolved in a fluorine melt, which consists largely of cryolite. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon bottom of the cell, the surface of the liquid aluminum forming the cathode. Anodes which consist of amorphous carbon in conventional processes are immersed in the melt.
The electrolytic decomposition of the aluminum oxide produces oxygen at the anodes, which combines with the carbon to form CO 2 and CO. The electrolysis takes place in a temperature range of approximately 940 to 970 "C.
The inner lining of cathode vessels consists of carbon blocks in which there is / are at least one continuous or in the middle separated iron cathode bars. In order to contribute to the lowest possible voltage drop in the cell, the electrical contact resistance between the cathode bar and the carbon block must be as small as possible. Various types of connection of the carbon block and the cathode bar are known to the person skilled in the art, for example - ramming with a carbon-bound ramming mass; - pouring with cast iron; - gluing with a carbonizable mass; - Fit.
The insertion of a cathode bar with a snug fit in a carbon block was already some time ago in J.
Electrochemical Technology, Vol. 5, No. 34 (1967), pages 152-154. A hole corresponding to the cathode bar is cut out in the carbon block and this is inserted without tamping, casting or adhesive.
However, this method has never proven itself in practice, probably because the cathode bar would have to connect exactly at the working temperature instead of the carbon. In practice, however, this can hardly be done. During the electrolyte process with cathode bars inserted in holes, with the smallest inaccuracies, either the electrical contact resistance from graphite to iron is too great, or cracks occur in the graphite block, which reduce the life of the cathode vessel to an unacceptable extent.
According to DE-PS 31 35 083, these disadvantages are largely remedied by the following measures: - In each carbon block, open grooves are cut out in the longitudinal direction over at least 20% of the length, starting from both end faces, in the working position. With regard to the cross section at 500-850 "C, these correspond exactly to the cross section of the cathode bars heated to the same temperature.
- The cathode bars inserted into the grooves without the use of a ramming compound, cast iron or an adhesive stick out of the carbon block along the entire lower side surface or surface line during the electrolysis process.
- A part of the weight of the carbon blocks is supported approximately evenly on all cathode bars.
The inventors have set themselves the task of further improving the electrical connection between the cathode bars arranged in the fit and associated carbon blocks, and thus reducing the electrical contact resistance, without having to accept a considerably greater amount of work or material.
The object is achieved according to the invention in that finely distributed elevations of small cross-section are formed regularly over the entire surface of the recess (es) in the carbon block, which protrude beyond the other areas of the surface and that at room temperature
Wear or fix the inserted cathode bar.
The cathode bar which is pushed into the carbon block at room temperature has approximately the same diameter as the circle which touches the numerous, finely distributed elevations of the corresponding recess in the carbon block.
If the diameter of the cathode bar is somewhat larger than the circle, the elevations are scraped off somewhat when it is inserted. Even if the diameter is slightly smaller than the circle mentioned, which is particularly the case with large cathode bars, the term fit is still used.
When the electrolysis cell for the production of aluminum is put into operation, the temperature is increased from approximately 20 to 940 to 970 ° C. The cathode bar expands considerably more than the carbon block. The surface of the cathode bar increasingly presses on the elevations of the recess as the temperature rises give up doped, ie the bumps or peaks, for example, break off continuously and adapt to the enlarged cathode bar shape, thereby improving the electrical contact between the carbon and the iron without macroscopic cracks forming in the cathode block / or the geometry of the elevations is selected such that the force transmitted to the coal block is not sufficient for macroscopic crack formation.
This extends the life of the cathode vessel as a whole.
Furthermore, by continuously breaking off the tips or combs when the cathode element is heated in the cathode vessel, the adaptability of the connection between the carbon and the iron is significantly increased, which even allows the arrangement of closed recesses without the cathode element being blown up during heating as before.
Although the recesses for the cathode bar in the carbon block can take any known shape, such round cross sections are preferred. Round recesses are both easier to handle from a manufacturing standpoint and more advantageous in terms of the mechanical stability of the carbon block.
In practice, the protrusions are preferred combs of grooves formed in the recesses for the cathode bars. Grooves running in the longitudinal direction of the carbon block are advantageous for all geometrical shapes of the recess for the cathode bar. In the case of round recesses in particular, the grooves can be arranged very well in a spiral and / or in the transverse direction. Although advantageously only one type of groove is formed, longitudinal, transverse and spiral grooves can be combined.
The cross section of the grooves is preferably triangular, but it can also be rectangular, square, trapezoidal (narrowing upwards) or sinusoidal.
The grooves recessed in the recess for cathode bars are expediently 0.5-5 mm deep. The preferably formed grooves, which are triangular in cross section, have an apex angle of in particular 20-90 on the groove ridge.
The areas or grooves protruding from the elevations, in other words the cavities between the carbon block and the cathode bar, can be filled with compressible carbon material which receives the broken off tips or combs or fragments thereof. Graphite powder or a petroleum-containing graphite paste is particularly suitable as the filling material.
Filling the cavities with carbon largely prevents them from being filled with corrosive gases.
The corrosion, which is particularly exposed to the iron cathode bar, can be prevented even further if it is provided with a temperature-resistant protective coating that conducts the electrical current.
Coating is carried out in a known manner, e.g. by flame spraying, plasma spraying or a gas phase reaction.
In this connection, reference is made to DE-PS 1 902819.
When using suitable processing methods, the elevations or grooved combs can be made lower in the area of the bottom surface of the carbon block than in the area in the direction of its top surface. The difference is preferably between 30 and 700/0.
It has already been mentioned that the recess (es) for cathode bars can take any known shape, but the round cross-sectional shape is preferred.
Usually these recesses are towards the bottom surface of the carbon block, i.e. in working position down, open.
The mechanical stability of the downwardly open cutouts for the cathode bars can be increased if at least one side wall of the carbon block in the area of the cutout for the cathode bars runs increasingly inwards from top to bottom. As a result of this wedge-shaped narrowing that is at most a few millimeters wide, the bottom of the cathode vessel, which is formed by a plurality of carbon blocks placed next to one another, can absorb expansion. Also in the framework according to the invention, the lowest area of the carbon blocks is somewhat deformed when heated to the working temperature. When a wedge-shaped recess is formed in the side wall, the tabs of the carbon block surrounding the cathode bar can expand, for example, by 1 mm without exerting unbearable pressure on the adjacent carbon block.
The narrow cavity formed by the wedge-shaped recess can be filled with Fiberfrax, for example, which is resistant to liquid aluminum.
The carbon blocks can be made from any material known per se, in particular from amorphous carbon, semigraphite or graphite.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing, for example. They show schematically:
FIG. 1 shows a perspective partial view of a carbon block with a recess with a rectangular cross section,
Figure 2 is a partial perspective view of a carbon block with a round cross-section recess.
Figure 3 shows a section through the transition region of the carbon block to the cathode bar. A in Figure 2, and
Figure 4 is a vertical cross section through a carbon block with a circular bore.
The carbon block 10 shown in FIG. 1 with a recess 12 which is rectangular in cross section and open towards the bottom surface 11 consists of amorphous carbon. The downwardly open recess 12 has grooves 14 which are recessed in the longitudinal direction of the carbon block and are of square cross section. The side length of these squares is 2 mm, so the grooves are shown in FIG. 1 in an oversized manner for reasons of clarity. In the carbon block 10, an iron cathode bar dimensioned in accordance with the grooved ridges is inserted in a snug fit from below or from the side.
The carbon block 10 shown in FIG. 2 consists of graphite and has a recess 12 which is round in cross section and which is partially open towards the bottom. Spirally arranged grooves 14, which are triangular in cross section, are screwed into the recess 17. The grooved combs 16 are easily scraped off when the cathode bars are only pushed in from the side and thus result in a very good fit.
The lower part of the right side surface 18 corresponding to the height of the recess 12 is narrowed in a wedge shape. The constriction e on the bottom surface of the carbon block 10 is 0.5 mm. If the carbon blocks 10 are joined together, their tabs 20 can expand somewhat laterally if the temperature rises.
The horizontal longitudinal section shown in FIG. 3 in area A of FIG. 2 shows the transition from carbon block 10 to cathode bar 2 at working temperature. Figure 3 is very much enlarged. The original height h of the grooves is 1 mm, their apex angle a is 40 ". At the working temperature of 950" C, the iron cathode bar 22 has expanded more than the carbon block 10.
The original grooved ridges 16 have broken off. The fragments 17 lie in the grooves 14 filled with graphite powder 24.
The transition area from the carbon block 10 to the cathode bar 22 allows very good electrical contact. When the crests 16 crumbled, only microscopic, locally limited cracks (26) formed in the carbon block.
28 denotes the optional coating of the cathode bar 22 with an approximately 30 μm thick layer which, for example, consists of silicon carbide or titanium diboride.
FIG. 4 shows a vertical cross section through a carbon block 10, which has a closed recess 12 adjacent to its bottom surface, which is designed as a circular bore. This hole is provided with cross grooves, which are not visible in the cut.