CH679403A5 - - Google Patents

Description

1

CH 679 403 A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung einer Schmelzflussraffinati-onselektrolyse gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Schmelzflussraffinationselektrolysen, wie z.B. der Dreischichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium werden als Kathoden üblicherweise Kohleelektroden eingesetzt. Diese Elektroden tauchen unmittelbar in das schmelzflüssige Kathodenmetall ein. Durch die hohe Temperatur der Elektroden und den ungehinderten Zutritt von Luftsauerstoff brennt der Kohlenstoff dicht über der Schmelzoberfläche sehr stark ab. Der Elektrodenquerschnitt kann dabei so stark vermindert werden, dass der untere Teil der Elektrode abbricht. Dies führt insgesamt zu einem erheblichen Kohlenstoffverbrauch von etwa 8%, bezogen auf die erzeugte Metallmenge. Um diesen hohen Kohlenstoffverbrauch herabzusetzen muss der Zutritt von Luftsauerstoff unterbunden werden. Dazu wurden bisher mehrere Methoden vorgeschlagen.

Durch Imprägnieren der Kohleelektroden, z.B. mit Borax oder Phosphaten, kann der Kohlenstoffverbrauch auf etwa 4% herabgesetzt werden. In diesem Fall wird jedoch das Kathodenmetall durch das Imprägniermittel verunreinigt.

Beschichten bzw. Umgiessen der Kohleelektroden mit bereits raffiniertem Aluminium bietet keinen ausreichenden Schutz gegen Sauerstoff. Das Aluminium kann bei den gegebenen Temperaturen von der Elektrodenoberfläche abschmelzen, so dass der Kohlenstoff unter der Schutzschicht abbrennt.

Als weitere Möglichkeit wurde vorgeschlagen, die Kohleelektroden unmittelbar mit einer mehrere mm dicken Keramikschicht zu versehen, z.B. durch Plasmaspritzen. Die unterschiedliche Wärmedehnung von Kohle und Keramik führt jedoch unter Wärmebelastung zur Zerstörung der Keramikschicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kohlenstoffelektrode effizient und dauerhaft gegen Sauerstoffzutritt zu schützen, so dass der Kohlenstoffabbrand auf Werte von etwa 1% abgesenkt wird. Dabei sollen keine Verunreinigungen in das Kathodenmetall eingetragen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Kennzeichnung des Anspruchs 1.

Grundgedanke der Erfindung ist es, die Kohleelektrode mit einer selbsttragenden Schutzglocke aus einem möglichst gasdichten, temperaturbeständigen Material zu umgeben. Dabei wird unter «selbsttragend» eine Schutzglocke verstanden, die im Abstand von der Elektrode ggf. auch über eine abstützende Vorrichtung gehalten wird. Elektrode und Schutzglocke tauchen gemeinsam in das Kathodenmetall ein, so dass die Elektrode vollständig von der Umgebungsluft isoliert ist.

Die Schutzglocke muss selbsttragend ausgeführt sein und darf nicht dicht auf der Elektrode aufliegen, da die Schutzglocke sonst durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Kohle und Keramik zerstört würde. Der Abstand zwischen

Aussenfläche der Elektrode und Innenfläche der Schutzglocke sollte mindestens 1 mm betragen. Unterhalb dieses Wertes besteht die Gefahr, dass durch Kapillarwirkung Metallschmelze im Zwischenraum aufsteigt und in kälteren Bereichen erstarrt. Dies kann zur Zerstörung der Schutzglocke führen bzw. die Wiederverwendbarkeit der Glocke einschränken.

Als geeignetes Material für die Schutzglocke hat sich eine A^Os-Keramik mit einem Al203-Gehalt von > 99,7 Gew.-% und einer Gesamtporosität £5% erwiesen. Dieses Material ist ausreichend dicht, um den Zutritt von Luftsauerstoff zu verhindern. Die hohe Reinheit gewährleistet, dass keine Verunreinigungen in das Kathodenmetall eingebracht werden. Für eine gute mechanische Stabilität zur Montage und Handhabung der Schutzglocke ist eine Mindestwandstärke von 5 mm erforderlich.

Die Schutzglocke muss trotz der vergleichsweise hohen Thermoschockbeständigkeit vor dem Eintauchen in die Schmelze vorgeheizt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäs-se Kohleelektrode erlaubt in einer bevorzugten Ausführungsform ein wirtschaftliches Vorheizen unmittelbar im Elektrolyseofen. In diesem Fall umgibt die Schutzglocke nicht die gesamte Mantelfläche der Kohleelektrode, sondern endet in einem bestimmten Abstand von der in die Schmelze eintauchenden Seite der Elektrode. Dieser Abstand beträgt mindestens 10 mm. Die gesamte Elektrode wird in den Elektrolyseofen eingebracht und zunächst oberhalb der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden vorgewärmt. Danach wird der untere Teil der Kohleelektrode in die Schmelze eingetaucht, wobei die Schutzglocke noch keinen direkten Kontakt mit der Schmelze hat. In dieser Position wird die Elektrode über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden weiter aufgeheizt. Anschliessend wird die Elektrode soweit abgesenkt, bis auch die Schutzglocke in die Schmelze eintaucht. Der maximale Abstand zwischen Unterkante der Elektrode und Unterkante der Glocke wird begrenzt durch die Schichthöhe des flüssigen Kathodenmetalls. Der Abstand sollte einen Wert von 30 mm nicht wesentlich überschreiten.

Die Kohleelektrode wird bevorzugt in zylindrischer Form ausgeführt. Sie kann vorteilhaft als Kathode in Schmelzflussraffinationselektrolysever-fahren eingesetzt werden. Dabei eingnet sie sich insbesondere als Kathode für die Dreischichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium. In diesem Fall kann der Kohlenstoffverbrauch auf ca. 1%, bezogen auf die erzeugte Metallmenge, herabgesetzt werden. Weitere Vorteile der Erfindung sind lange Lebensdauer und Wiederverwendbarkeit der Schutzglocke sowie die Vermeidung der Verunreinigung des Kathodenmetalls.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher erläutert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung einer Schmelzflussraffinations-elektrolyse mit einer einsatzfertig montierten Kohleelektrode mit keramischer Schutzglocke. Die Kohleelektrode 1 ist zylindrisch ausgebildet. Auf der

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

CH 679 403 A5

4

stromzuführenden Seite ist ein Kupfernippel 7 mittels einer Graphitstampfmasse 8 in die Elektrode 1 eingestampft. Die Schutzglocke 2 besteht aus einer Al203-Keramik mit einem Al203-Gehalt von > 99,7 Gew.-% und einer Gesamtporosität < 5%. Sie ist rohrförmig ausgebildet und konzentrisch um die Kohleelektrode 1 angeordnet. Die Schutzglocke 2 weist an einem Ende einen radial nach innen ragenden, umlaufenden Kragen 9 auf. Die Befestigung der Schutzglocke 2 erfolgt durch Verschraubung des Kragens 9 und des Kupfernippels 7 mittels einer Mutter 10. Die Verschraubung ist über Druckscheiben 11, 12 mit temperaturbeständigen Dichtringen 13, 14,15 und Dichtmassen 16 abgedichtet. Der Abstand zwischen dem Elektrodenmantel 3 und der Innenfläche 4 der Schutzglocke 2 beträgt 1-5 mm. Auf der in die Schmelze eintauchenden Seite ragt die Kohleelektrode 1 aus der Schutzglocke 2 heraus. Der Abstand zwischen der Elektrodenunter-kante 5 und der Unterkante 6 der Schutzglocke beträgt 30 mm.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Durchführung einer Schmelz-flussraffinationselektrolyse, wobei eine Kohleelektrode vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohleelektrode (1) von einer selbsttragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke (2) umgeben ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzglocke (2) im wesentlichen aus AI2O3 besteht, mit einem AfeOs-Gehalt von à 99,7%.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schutzglocke (2) eine Gesamtporosität von maximal 5% aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Aussenfläche (3) der Kohleelektrode (1) und der Innenfläche (4) der Schutzglocke (2) 1 bis 5 mm beträgt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestwandstärke der Schutzglocke (2) 5 mm beträgt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohleelektrode (1) und die Schutzglocke (2) eine zylindrische Form haben.

7 Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der in die Schmelze einzutauchenden Unterseite (5) der Elektrode (1) und der Unterkante (6) der Schutzglocke (2) mindestens 10 mm beträgt.

8. Verfahren zum Vorwärmen einer Kohleelektrode einer Einrichtung zur Durchführung einer Schmelzflusseiektrolyse, die von einer selbsttragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke (2) umgeben ist, wobei der Abstand zwischen der in die Schmelze einzutauchenden Unterseite (5) der Elektrode (1) und der Unterkante (6) der Schutzglocke (2) mindestens 10 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen mit folgenden Schritten unmittelbar im Elektrolyseofen erfolgt:

a) Vorwärmen der Elektrode im Ofen oberhalb der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden.

b) Eintauchen des unteren Teils der Kohleelektrode in die Schmelze und Aufheizen ohne direkten Kontakt der Schutzglocke mit der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden.

c) Weiteres Absenken der Elektrode bis auch die Schutzglocke in die Schmelze eintaucht.

9. Verwendung einer Kohleelektrode einer Einrichtung zur Durchführung einer Schmelzfluss-raffinationselektrolyse, die von einer selbsttragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke (2) umgeben ist, als Kathode für Schmelzflussraffinationselektrolyseverfahren.

10. Verwendung einer Kohieelektrode nach Anspruch 9 als Kathode für die Dreischichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65