CH671967A5

CH671967A5 -

Info

Publication number: CH671967A5
Application number: CH4309/86A
Authority: CH
Inventors: Jan Hvistendahl
Original assignee: Elkem Aluminium
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1989-10-13
Also published as: AU578848B2; GB2182677B; US4734182A; DE3636629C2; NO158882C; GB2182677A; FR2589487B1; IN168589B; NO854361L; GB8625824D0; CA1294919C; FR2589487A1; NO158882B; AU6462386A; BR8605297A; DE3636629A1

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für Elektrolysezellen für die Elektrolyse schmelzflüssiger Salze, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Gemäss dem Stand der Technik weisen Elektrolysezellenkathoden zur Herstellung von Aluminium eine äussere, oben offene Stahlschale auf. Bei der Innenseite dieser Stahlschale ist eine Auskleidung angeordnet, welche aus einer feuerfesten Isolationsschicht besteht, einer kohlenstoffhaltigen Bodenauskleidung mit Stromschienen und einer Schicht vorgebackenen und/oder monolytisch gestampften Kohlenstoffs an den Seitenwänden.

Im Betrieb wird die äussere Stahlschale der Kathode aufgrund thermischer und mechanischer Spannungen verformt. Die Auskleidung der Kathode muss nach einer Betriebsdauer, welche üblicherweise zwischen einem und sechs Jahren beträgt, ersetzt werden. Dabei wird die Auskleidung von der Stahlschale entfernt und abgelagert, währenddem die äussere Stahlschale, die sehr teuer ist, üblicherweise nach einer kostenaufwendigen Instandstellung wieder verwendet wird. Sogar dann, wenn die Stahlschalen instandgestellt worden sind, werden sie verformt sein und werden eine verminderte Masstoleranz aufweisen und damit werden die Stahlschalen mechanischen Spannungen unterworfen.

Das heisst, dass wenn ein Kathode, die auf einer instandgestellten Stahlschale beruht, neuerdings ausgekleidet wird, es sehr schwierig ist, eine gute Passung zwischen der äusseren Stahlschale und der neuen Auskleidung zu erreichen. Folglich wird im Durchschnitt die Güte einer Kathode, welche auf der Basis einer wieder instandgestellten Stahlschale aufgebaut ist, schlechter sein als die Güte einer Kathode, welche auf einer neuen Stahlschale basiert ist.

Diese verminderte Güte der Kathoden kann zu betrieblichen Schwierigkeiten und einer kürzeren Lebensdauer der Reduktionszelle führen.

Bei der Verwendung einer äusseren Stahlschale muss der Zusammenbau der verschiedenen Teile der Auskleidung und der Stromschienen innerhalb dieser Stahlschale durchgeführt werden. Es ist dabei notwendig, innerhalb einem eher schmalen Stahlgehäuse zu arbeiten.

Dieses Vorgehen beim Zusammenbauen der Kathode bereitet Schwierigkeiten in bezug auf das genaue Setzen der einzelnen Kohlenblöcke für die Seitenwände und für den Boden in einer genauen gegenseitigen Beziehung, so dass es notwendig ist, die Kohlenblöcke miteinander zu verbinden, indem eine Stampfmasse verwendet wird, welche üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht. Die Verwendung einer gestampften Masse bzw. einer Stampfpaste ist jedoch unerwünscht, da beim Brennen der Paste die Neigung besteht, dass Risse entstehen, so dass danach Teile aus dem schmelzflüssigen Elektrolysebad während dem Betrieb der Elektrolysezelle durch die Auskleidung hindurchdringen und folglich die Auskleidung zerstören. Um daher eine höchste Dauerhaftigkeit der Kohlenauskleidung zu erreichen, ist es bevorzugt, eine vollständig monolytische, d.h. einstückige Auskleidung zu verwenden. Aus den obigen Gründen ist dies jedoch dann nicht erzielbar, wenn die Auskleidung innerhalb einer Stahlschale eingebaut werden muss. Folglich sind die bekannten Verfahren auf ein monolytisches Verbinden der Kohlenblöcke lediglich auf die Bodenauskleidung beschränkt.

Weiter begrenzt die äussere Stahlschale ein freies Ausdehnen der Auskleidung. Eine solche Ausdehnung entsteht aufgrund chemischer und thermischer Vorgänge in den Kohlenblöcken während dem Betrieb der Zelle. Diese Hemmung des Ausdehnens der Auskleidung ist möglicherweise ein Grund der Risse, die in der Kohlenauskleidung entstehen, welche die Lebensdauer der Auskleidung vermindern.

Ein Zusammenbauen der Auskleidung innerhalb der Stahlschale bewirkt, dass ein Mechanisieren des Zusammenbauens erschwert wird, weil ein grösserer Anteil der Arbeit manuell durchgeführt werden muss. Dieses erhöht die Kosten des Zusammenbauens beträchtlich.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kathode fur Elektrolysezellen für die Elektrolyse schmelzflüssiger Salze und ein Verfahren zur Herstellung der Kathode zu zeigen, mittels dem ermöglicht wird, die oben genannten Nachteile von Elektrolysezellen zu beheben, bei denen eine äussere Stahlschale verwendet wird.

Die erfindungsgemässe Kathode ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.

Die Aussenschale kann aus irgendwelchem bekannten Beton hergestellt sein, welcher bei deijenigen Temperatur stabil ist, welcher die Aussenschale während dem üblichen Betrieb der Elektrolysereduktionszelle ausgesetzt ist.

Gemäss einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Aussenschale aus einem feuerfesten Beton hergestellt, beispielsweise einem auf einer Betonbase bestehenden

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Alumina-Zement mit einem feuerfesten Füller.

Gemäss einerweiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Aussenschale insgesamt oder teilweise aus bewehrtem Beton hergestellt. Als Bewehrung können herkömmliche Stahlbewehrungen oder Fasern, beispielsweise Stahlfasern oder Kohlen-stoffasern, verwendet werden.

Gemäss einer noch weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Aussenschale aus einem zusammengesetzten Betonstoff hergestellt, welche mindestens zwei Schichten Beton enthält, welche unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften aufweisen. Weiter kann für den Boden und die Seitenwände der Aussenschale Beton mit jeweils verschiedenen Zusammensetzungen und Eigenschaften verwendet sein.

Das Verfahren zur Herstellung der Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode auf einer Form aufgebaut wird, welche Aussenabmessungen und eine Form aufweist, welche den inneren Abmessungen und Form der fertiggestellten Kathode entsprechen, indem nacheinander auf dieser Form Bodenkohlenblöcke, Seitenwandkohlenblöcke, mögliche Zwischenkohlenblöcke, Stromschienen, eine mögliche Trennschicht und Schichten feuerfesten Isoliermaterials aufgebracht werden, wonach eine Aussenschale, die aus Beton besteht, auf die Schichten der feuerfesten Isolierung durch ein Aufsprühen aufgebracht wird. Nach dem Aushärten des Betons wird die fertiggestellte Kathode entformt.

Gemäss einer Ausführung des Verfahrens wird, bevor der Beton ausgehärtet ist, um die Aussenschale ein Tragrahmen angebracht. Damit wird zwischen dem Rahmen und der Aussenschale ein ausgezeichnetes Passen und Haften erzielt.

Um eine monolithische, d.h. einstückige Kohlenauskleidung, zu erreichen, ist es bevorzugt, während dem Zusammenbauen alle Kohlenblöcke miteinander zu verkleben. Dieses ergibt dann eine monolithische Auskleidung, welche die Möglichkeit, dass schmelzflüssiges Elektrolysenmaterial und Metall eindringt, so dass ein Aufschwemmen und ein Verformen der Bodenkohlenblöcke entsteht, verhindert ist.

Durch das Verfahren wird der Herstellungsvorgang der Kathode im Vergleich mit bekannten Verfahren zur Herstellung von solchen Kathodenelektrolysezellen wesentlich vereinfacht,

weil dieses Herstellungsvorgehen sehr einfach mechanisiert werden kann. Da das Zusammenbauen der Kathode miï der Kohleauskleidung beginnt, kann zwischen den einzelnen Kohleblöcken der Auskleidung ein genaues Passen erreicht werden. Dieses ergibt eine sehr dichte und mechanisch starke Ausbildung, ohne dass es notwendig ist, eine Stampfmasse bzw. eine Stampfpaste zu verwenden. Schliesslich wird zwischen der Aussenschale und der Auskleidung eine gute Passung erzielt, weil die Aussenschale hergestellt wird, indem Beton unmittelbar auf die Auskleidung aufgegossen wird.

Durch die Erfindung kann ein hoher Freiheitsgrad in bezug auf Änderungen der geometrischen Form der Kathode, beispielsweise Länge, Breite, Höhe usw., erreicht werden. Die Seitenwände können bis zu einem gewissen Mass plastisch ausgebildet sein, so dass die Kräfte, welche auf die Kohlenauskleidung dann einwirken, wenn diese sich im Betrieb der Elektrolysezelle ausdehnt, kleiner sind. Zusätzlich kann der Querschnitt der Stromschienen und die Zahl der Stromschienen freier gewählt werden als im Falle des bekannten Vorgehens zum Herstellen von Kathoden der Elektrolysezellen.

Beim Ersetzen der Kathoden, welche gemäss des Verfahrens hergestellt worden sind, muss der äusseren Betonschale keine Aufmerksamkeit geschenkt werden, weil die Kathode einschliesslich der äusseren Schale aus Beton weggeworfen wird. Das heisst, dass die Kathoden in einer viel kürzeren Zeit im Vergleich mit dem bekannten Verfahren ersetzt werden können, gemäss denen es notwendig ist, den Tragrahmen der äusseren Stahlschale anzupassen, da alle wieder hergestellten äusseren Stahlschalen unterschiedliche Abmessungen zeigen.

Die aus Beton gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellte äussere Schale der Kathode kann bedeutend billiger als eine aus Stahl hergestellte äussere Schale sein. Zusammen mit dem einfachen Verfahren zur Herstellung der Kathoden können die erfindungsgemäss ausgebildeten Kathoden mit beträchtlich tieferen Kosten im Vergleich mit den bekannten Kathoden hergestellt werden.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine in einem Tragrahmen eingesetzte fertiggestellte Kathode; und

Figur 2 einen Querschnitt einer fertiggestellten Kathode,

bevor sie aus der Form entnommen ist.

In der Figur 1 ist eine fertiggestellte Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium dargestellt. Die Kathode weist Bodenblöcke 1 aus Kohle, Zwischenblöcke 2, Seitenwandkohlenblöcke 3, Stromschienen 4, feuerfeste Isoliermaterialschichten 5, 6, eine Trennschicht 7 und eine aus Beton gebildete Aussenschale 8 auf. Die Kathode ist in einem Tragrahmen 9 aufgebaut, der sich auf einem Boden 10 abstützt.

Nachfolgend wird nun ein bevorzugtes Verfahren der Herstellung einer Kathode für Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium unter Bezugnahme auf die Figur 2 erläutert.

Auf einer Form 11, die äussere Abmessungen und eine Form aufweist, welche den inneren Abmessungen und Form der fertiggestellten Kathode entsprechen, werden die Bodenkohlenblöcke 1 angeordnet, indem die Kohlenblöcke 1 mittels eines Klebstoffes miteinander verbunden werden. Dadurch werden die Zwischenblöcke 2 angebaut, wobei die Zwischenblöcke 2 miteinander und mit den Bodenkohleblöcken 1 durch einen Klebstoff verbunden werden. Schliesslich werden die Seitenwandkohlenblöcke 3 eingebaut, wobei diese Seitenwandkohleblöcke 3 miteinander und mit den Zwischenkohlenblöcken 2 mittels eines Klebstoffes verbunden werden. Damit wird eine vollständig dichte, monolithische Kohlenauskleidung erhalten. Die Bodenkohleblöcke 1, die Zwischenkohlenblöcke 2 und die Seitenwandkohlenblöcke 3 sind vorgeformt, so dass das beste Einpassen zwischen den einzelnen Kohlenblöcken beim Einbauen derselben erzielt werden kann.

Die Stromschienen 4 können entweder bevor die Bodenkohlenblöcke 1 auf der Form 11 angeordnet werden oder nachdem die Kohlenblöcke 1 auf der Form 11 angeordnet worden sind, mit denselben verbunden werden. Da die Stromschienen 4 nicht durch Öffnungen im äusseren Stahlgehäuse ragen müssen, wie es der Fall bei bekannten Verfahren ist, sind die Nachteile, welche beim Einsetzen von Bodenkohleblöcken mit Stromschienen innerhalb einer Stahlschale bestehen, vollständig behoben. Wenn die Kohleauskleidung beendet worden ist, wird die Schicht 5 aus einem feuerfesten Isoliermaterial eingesetzt bzw. angeordnet. Die Trennschicht 7 kann nun mit einer guten Passung gegen die Bodenkohlenblöcke 1 eingebaut werden, wonach die Bodenschicht 6 aus feuerfestem Isoliermaterial auf der Trennschicht 7 aufgebaut werden kann. Schlussendlich wird die äussere Betonschale 8 erzeugt, indem vorteilhaft Beton aufgesprüht wird.

Nach dem Aushärten des Betons wird die fertiggestellte Kathode aus der Form 11 ausgeformt.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Kathode für Elektrolysezellen für die Elektrolyse schmelzflüssiger Salze, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale der Kathode aus Beton gebildet ist.
2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale aus aufgesprühtem Beton gebildet ist.
3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale aus auf einem feuerfesten Zement beruhenden Beton gebildet ist.
4. Kathode nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale vollständig oder teilweise aus bewehrtem Beton hergestellt ist.
5. Kathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale vollständig oder teilweise aus faserbewehrtem Beton gebildet ist.
6. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale aus einem zusammengesetzten Betonmaterial gebildet ist, der mindestens zwei Schichten Beton mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften enthält.
7. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden und die Seitenwände der Aussenschale aus Betonmaterialien gebildet sind, die unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften aufweisen.
8. Verfahren zur Herstellung der Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode auf einer Form (11) aufgebaut wird, die Aussenabmessungen und eine Form aufweist, die den Innenabmessungen und der Form der fertiggestellten Kathode entsprechen, indem nacheinander auf der Form Bodenkohleblöcke (1), Seitenwandkohleblöcke (3), Stromschienen (4), und feuerfeste Isoliermaterialschichten (5, 6) aufgebracht werden, wonach eine aus Beton (8) gebildete Aussenschale durch Aufsprühen auf die Schichten (5,6) aus feuerfestem Isoliermaterial aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach den Bodenkohleblöcken (1) und vor den Seitenwandkohle-blöcken (3) Zwischenkohleblöcke (2) aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Ansprach 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Kohleblöcke (1, 3 bzw. 2) durch einen Klebstoff miteinander verbunden werden, so dass eine monolithische Kohleauskleidung erhalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

dass nach den Stromschienen (4) und vor den feuerfesten Isoliermaterialschichten (5, 6) eine Trennschicht aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tragrahmen vor dem Aushärten des Betons um die Aussenschale (8) angeordnet wird.