DE1002131B - Gebrannte Kohleanode fuer die Aluminium-Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Anodenkohlen von Schmelzflußelektrolyseöfen sind neben der Abnutzung infolge der bei der Elektrolyse auftretenden Reaktionen außerdem noch einem mehr oder weniger starken Abbrand durch den Luftsauerstoff ausgesetzt. Von diesem Abbrand wird besonders der obere Teil der Anodenkohlen, der »Kohlekopf«, betroffen, welcher der Luft ausgesetzt ist. Je nach der Qualität der als Elektroden verwendeten Kunstkohlen setzt der Abbrand bei Anwesenheit von Luftsauerstoff an der Oberfläche der Kohlen im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 300 und 350° ein, um bei noch höheren Temperaturen zu einem regelrechten Verfall der Außenzonen der Kunstkohle zu führen.

Die Anodenkohlen erwärmen sich während des Betriebes infolge der Einwirkung des Schmelzelektrolyts nach mehrtägigem Einsatz allmählich auf die angegebenen Temperaturen, wobei sich der obere Teil der Anodenkohlen zunächst noch außerhalb der vor dem Angriff durch den Luftsauerstoff schützenden Flußdecke befindet. Es findet daher ein Abbrand des Kopfes statt, der erst dann aufhört, wenn die Anode nach Maßgabe ihrer Abnutzung infolge des Elektrolysevorganges in den gasundurchlässigen Teil der Flußdecke untergetaucht ist. Dieser Abbrand stellt im allgemeinen einen empfindlichen Verlust dar, der sich häufig auch störend auf den Betrieb auswirkt.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen den Vorgang an dem Beispiel einer Anodenkohle von 300 X 400 mm Querschnitt und 450 mm Höhe, die in einem Aluminiumelektrolyseofen eingesetzt ist, in dem sich ein Fluß von 220 mm Höhe und von einer Temperatur von 950 bis 970° befindet.

Mit 1 ist der Boden des Elektrolyseofens bezeichnet, mit 2 die Schicht des abgeschiedenen Aluminiums, mit 3 die Kryolithschmelze (Fluß, Elektrolyt), mit 4 die Flußdecke (die aus Tonerde und Zuschlägen sowie aus erstarrtem Fluß besteht), mit 5 die Anode aus gebrannter Kunstkohle und mit 6 der stromzuführende Zapfen aus Eisen.

Nach dem Einsetzen der Anodenkohle (Fig. 1) erwärmt sich der obere Teil oder Kopf der Kohle erst allmählich. Am ersten Tag nach dem Einsetzen herrscht am Kopf noch eine durchschnittliche Temperatur von 180°, und erst nach 6 Tagen ist die Temperatur an dieser Stelle auf etwa 290° im Mittel gestiegen. Die Kohle ist inzwischen so weit abgenutzt, daß der Kopf nur noch etwa 70 bis 100 mm aus der Flußdecke herausragt (Fig. 2), die in einer Dicke von etwa 100 mm auf dem Elektrolyt aufliegt. Die Oberfläche der Fluß decke hat eine Temperatur von durchschnittlich 300 bis 500°. In der Zone zwischen Flußdecke und Fluß (Kryolithschmelze) herrscht eine Temperatur von etwa 600 bis 800°. Infolge der Er-Gebrannte Kohleanode für die Aluniinium-Schmelzflußelektrolyse

Anmelder:
Aluminmm-Industrie-Aktien-Gesellschaft,

Chippis (Schweiz)

Vertreter: Dr. K. Schwarzhans, Patentanwalt,
München 38, Romanplatz 9

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 9. April und 7. Dezember 1954

Dipl.-Ing. Hans Schmitt, Rheinfelden (Bad.),

und Jules Felley, Sierre-Clarey (Schweiz),

sind als Erfinder genannt worden

wärmung durch Stromdurchgang und Wärmeübertragung aus Fluß und Flußdecke hat die Kohle an der Grenzzone ihres Eintrittes in die Fluß decke eine Temperatur von 320° angenommen. An dieser Stelle hat daher am 6. Tag nach dem Einsetzen der Kohle der Abbrand bereits begonnen. Es ist dabei zu bemerken, daß die obere Schicht der Flußdecke mehr oder weniger gasdurchlässig ist, so daß der Luftsauerstoff noch an die Oberflächen teile der Kohle gelangen kann, die sich in dieser Zone befinden. Der Abbrand der Kohle geht an diesen Flächen dann so lange weiter, bis der Kopf der Kohle gänzlich in die gasundurchlässige, tiefere Fluß deckenzone bzw. in den Fluß selbst abgesunken ist.

9 Tage nach dem Einsatz ist der Anodenkopf, soweit er sich noch in der gasdurchlässigen Flußdeckenzone befindet, bereits verhältnismäßig stark abgebrannt (Fig. 3), zumal inzwischen die Temperatur am Kopf der Kohle auf 450° gestiegen ist. Selbst um das in den Kohlekopf hineinragende Zapfenende herum ist der Kopf der Kohle bereits angegriffen.

Die Kohle kann daher nicht voll ausgenutzt werden. 12 Tage nach dem Einsetzen wird der Kohlekopf bereits vom Fluß überspült, und der Zapfen am Kopf der Kohle vom Fluß angegriffen (Fig. 4). Die Kohle

609 76W232

muß infolgedessen nach 12 Tagen aus dem Ofen entfernt werden, nachdem sie bis auf einen Stumpf von etwa 170 mm Höhe abgebrannt ist.

Die vorzeitige Abnutzung der Kohleanode bei der Aluminium-Schmelzflußelektrolyse durch den Abbrand am Kopf wird erfindungsgemäß dadurch weitgehend verhindert, daß die obere Fläche der gebrannten Anode mit einem dicken· Aluminiumkopf versehen wird, der die ganze obere Fläche deckt; mit

ragt die Kohlemanschette zweckmäßig den Aluminiumkühlkopf, d. h. ihre Höhe wird größer gewählt als die Dicke des letzteren; daurch bleibt der Eisenzapfen noch besser geschützt nach dem Abschmelzen des 5 kühlkopf, d. h„ ihre Höhe wird größer gewählt als die kopf um beispielsweise 50 bis 80 mm.

Es ist möglich, den Aluminiumkopf gesondert herzustellen und sodann auf die Kohleanode, vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels (z. B.

Ausnahme derjenigen Stelle in der Mitte, wo der io von Kohlenteerpech), aufzusetzen. Das einfachste und Eisenzapfen in den Anodenkopf eingelassen ist, und sicherste Verfahren besteht jedoch darin, den Alumigegebenenfalls eines schmalen Randes von z. B. 10 bis niumkopf unter Benutzung einer passenden Form auf-20 mm am Umfang, welcher Rand zum Aufsetzen zugießen. Wenn im Elektrolyseofen Reinaluminium einer Gießform für die Herstellung des Aluminium- erzeugt wird, muß dieser Kopf selbstverständlich aus kopfes dienen kann; und ferner dadurch, daß der 15 Reinaluminium bestehen. Wird dagegen eine Alumi-Raum zwischen Aluminiumkopf und Eisenzapfen mit niumlegierung erzeugt, so kann der Kopf aus einer Elektrodenmasse, d. h. mit Kunstkohlemischung gefüllt entsprechenden oder sonst passenden Aluminiumist, wobei die Elektrodenmasse eine Manschette bildet, legierung hergestellt sein.

die allmählich gebacken wird und bei fortgeschrittener Die Fig. 5 bis 9 veranschaulichen ein Ausführungs-Abnutzung der Anode den eisernen Zapfen vor dem 20 beispiel. Auch hier ist die Sohle der Elektrolysierzelle Angriff durch den Elektrolyt schützt. Die Höhe des mit 1, das abgeschiedene, schmelzflüssige Aluminium Aluminiumkopfes ist so zu wählen, daß dieser die mit 2, der Fluoridelektrolyt mit 3, die Flußdecke mit 4, obere Fläche der Kohleanode mindestens bis zu dem die Kohleanode mit 5 und der eiserne Stromzufüh-Augenblick schützt, in welchem letztere so weit in die rungszapfen mit 6 bezeichnet. Die Anode 5 aus geFluß decke eingetaucht ist, daß sie der Einwirkung des 25 brannter Kohle ist mit einem Kopf 7 versehen, der Luftsäuerstoffes im wesentlichen entzogen ist. Dem- zwei umlaufende Rippen 8 und 9 aufweist. Die zufolge muß die Dicke eines vollen Aluminiumkopfes Rippe 8 bildet eine Abstrahlungsfläche, die den oberen über die ganze obere Fläche der Kohleanode min- Rand der Anodenkohle vor vorzeitigem Abbrand destens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der schützt, während die Rippe 9 zur Herstellung der Flußdecke entsprechen. Bei den üblichen Aluminium- 30 Manschette 10 aus gegossener Kunstkohlemasse dient. fluorid-Schmelzflußelektrolyseöfen muß die Dicke des Die Rippe 8 muß nicht unbedingt unmittelbar am Aluminiumkopfes mindestens 30 mm betragen. Bei Rand der Kohleanode angeordnet sein, sondern kann Kohleanoden mit einem waagerechten Querschnitt von auch im Abstand von diesem stehen. An Stelle von 300 X 300 mm beträgt sie vorteilhafterweise 80 bis zwei Rippen können auch deren mehrere vorgesehen 100 mm. Eine allzu große Höhe ist zu vermeiden, da 35 sein.

eine zu starke Abkühlung und daher unnötige Wärme- Nach dem Einsetzen der Kohleanode (Fig. 5) in

Verluste entstehen. Es ist zu empfehlen, die höchste den Ofen sind die Temperaturverhältnisse am Kopf

Höhe nicht größer als 150 mm zu wählen. der Kohle noch ungefähr die gleichen wie bei der un-

Der Aluminiumkopf kann die Gestalt einer dicken, geschützten Kohleanode gemäß Fig. 1. 6 Tage nach

der Gestalt des Anodenkopfes angepaßten Scheibe mit 40 dem Einsetzen der Kohleanode (Fig. 6) macht sich

zentraler Bohrung haben, doch ist es für das Er- bereits die kühlende Wirkung des Aluminiumkopfes

reichen des angestrebten Schutzes nicht erforderlich. bemerkbar. Am oberen Rand der Kohleanode beträgt

den Aluminiumkopf überall gleichmäßig dick zu die Temperatur etwa 250 statt 290°, wie im Falle der

machen. Es genügt, wenn der Aluminiumkopf am Fig. 2. Ein Abbrand findet noch nicht statt. 9 Tage

Rande der Kohleanode oder in geringem Abstande 45 nach dem Einsetzen der Kohleanode (Fig. 7) ist der

davon die erforderliche Mindesthöhe aufweist und um Aluminiumkopf noch völlig erhalten; die Temperatur

den Eisenzapfen eine Hülse bildet, die etwa dieselbe des oberen Randes der Kohleanode, der noch unan-

Höhe aufweist wie der Rand und für die Aufnahme gegriffen ist, hat etwa 300° erreicht. Nach 11 Tagen

der Kohlemanschette (Manschette aus Elektroden- (Fig. 8) befindet sich der Aluminiumkopf bereits teil-

masse) bestimmt ist. Zwischen Rand und Hülse kann 50 weise in der Flußdecke. Auch hier ist der Aluminium-

der Aluminiumkopf oben hoch ausgebildet sein, d. h. kopf erhalten. Die Rippen ragen noch heraus, wobei

eine tiefe Rinne aufweisen. Dadurch läßt sich die der Kopf der Kohle weiterhin gekühlt wird. Die Tem-

Menge des für die Bildung des Aluminiumkopfes peratur des oberen Randes der Kohleanode liegt noch

erforderlichen Metalls und gleichzeitig das Gewicht unterhalb der Grenze, bei welcher der Abbrand ein-

der am Eisenzapfen angekitteten Anodenkombination 55 setzt. Erst wenn der Kohlekopf in die gasundurch-

herabsetzen. lässige untere Schicht der Flußdecke, also um etwa

Normalerweise beträgt die Dicke der gasdurchlässigen oberen Schicht der Flußdecke etwa 30 bis 70 mm, während die Fluß decke normalerweise eine Gesamtdicke von etwa 10 cm hat.

Das Spiel zwischen Eisenzapfen und Aluminiumkopf beträgt etwa 10 bis 50 mm. Ist das Spiel kleiner als 10 mm, so bietet die eingestampfte oder besser noch eingegossene Manschette aus Kunstkohlemasse

30 bis 70 mm eingetaucht ist, steigt seine Temperatur allmählich auf Werte von über 350° an, und dann beginnt auch der Aluminiumkopf zu schmelzen. In 60 diesem Zeitpunkt kann jedoch der Luftsauerstoff nicht mehr an den Kohlekopf gelangen; dieser ist daher vor Abbrand geschützt. Fig. 9 zeigt den Zustand nach 14 Tagen. Der Aluminiumkopf ist bereits am 13. Tag abgeschmolzen. Die Kohlemanschette 10

keinen genügenden Schutz des eisernen Zapfens gegen 65 schützt jetzt den Eisenzapfen 6 vor dem Angriff den Elektrolyt. Die Kohlemanschette läßt sich ge- durch den Elektrolyt. Der Vorteil, der durch die Ertrennt herstellen, indem eine Hülse aus Aluminiumblech um den Eisenzapfen angeordnet und mit Kohle

masse gefüllt wird, worauf erst das Gießen des AIu-

findung erreicht wird, läßt sich am Vergleich der Fig. 4 und 9 erkennen. Dank dem Aluminiumkopf bleibt der Kohlekopf in seiner Form im wesentlichen

miniumkühlkopfes stattfindet. In diesem Fall über- 7° erhalten. Dies bietet auch Gewähr für eine gute Bin-

dung zwischen der verkokenden Masse der Manschette 10 und dem Kohlekopf und infolgedessen für den Schutz des Zapfens vor dem Angriff durch den Elektrolyt, auch wenn dieser den Kopf überspült.

Die Lebensdauer einer Kohleanode, die erfmdungsgemäß durch einen Aluminiumkopf und eine Manschette aus Kohlemasse geschützt wird, ist daher größer als die einer ungeschützten Kohleanode, und die Kohle kann für den elektrolytischen Prozeß besser ausgenutzt werden.

Der Aluminiumkopf kann so ausgebildet werden, daß er den oberen Teil der Kohleanode in Form eines eng anliegenden Mantels umgibt, also über den oberen Rand hinaus ein Stück weit nach unten reicht.

Fig. 10 zeigt im senkrechten Schnitt zwei Kohleanöden 11 mit gemeinsamem Aluminiumkühlkopf 12, der diese auch seitlich umfaßt und dadurch einen Mantel bildet. Der Kühlkopf weist eine äußere, tiefer liegende Rippe 13 und zwei innere, höher liegende Rippen 14 um die Eisenzapfen 6 auf. Der Unterschied in der Höhenlage zwischen der äußeren Rippe und den inneren Rippen ist durch die Form des Kohlekopfes bedingt, der hier im Gegensatz zu den Beispielen gemäß Fig. 1 bis 9 nicht eben ist.

Der Aluminiumkopf kann in beliebiger Art und Weise hergestellt werden. Man kann z. B. Kopf und Rippen aus einem Stück gießen oder den Kopf als dicke, die obere Fläche der Anode deckende Schicht mit Druckluft aufspritzen oder nach einem anderen Verfahren aufbringen und die Rippen gesondert herstellen. Die Rippe für die Kohlemanschette kann z. B. dadurch hergestellt werden, daß eine Hülse aus Aluminiumblech um den Eisenzapfen angeordnet wird.

Weitere systematische Versuche haben nun ergeben, daß der Aluminiumkopf nicht überall so dick zu sein braucht, daß seine Dicke derjenigen der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke entspricht. Es genügt, wenn die Höhe der Rippen oder der Rippe mindestens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke entspricht, während die Aluminiumschicht, welche die Anode deckt, von gefingerer Dicke sein kann, z. B. 2 bis 10 mm. Es hat sich ferner herausgestellt, daß der weiter oben beschriebene Schutz des Anodenkopfes vor Luftabbrand auch erreicht wird, wenn der Anodenkopf nur von einer einzigen Rippe überragt wird, die gleichzeitig als Hülse für die Kohlemanschette dient. Die auf diese Weise geschützte Kohleanode verhält sich wie diejenige, die mit einem Aluminiumkopf versehen ist, dessen Höhe überall mindestens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke entspricht. Der Anodenkopf bleibt zunächst in seiner Form erhalten. Wenn er sich bereits teilweise in der Flußdecke befindet, ragt noch die Rippe heraus und bewirkt eine Kühlung des Kopfes und daher eine Herabsetzung der Temperatur des oberen Randes der Kohleanode. Erst wenn der Kohlekopf in die gasdurchlässige untere Schicht der Flußdecke eingetaucht ist, beginnt auch die Aluminiumrinne zu schmelzen. In diesem Zeitpunkt ist jedoch der Kohlekopf vor Luftabbrand bereits geschützt und die Manschette genügend gebacken.

Wenn die Aluminiumschicht, die den Aluminiumkopf bilden soll, aufgespritzt wird, ist es angebracht, im gleichen Arbeitsgang auch die Seitenflächen der Anodenkohle mit einem Aluminiumüberzug zu versehen. Das Aufspritzen erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß Metall aus einer Pfanne gegossen und der freie Strahl mit Preßluft gegen die Anodenkohle verspritzt wird, wobei letztere frei hängend um ihre Achse gedreht wird. Das Aufspritzen mit der Pistole ist auch anwendbar, aber bei weitem nicht so wirtschaftlich.

Es ist an sich bekannt, gebrannte Kohleanoden für die Aluminium-Schmelzflußelektrolyse mit einem Aluminiummantel zum Schutz der Kohle vor Abbrand zu versehen. Ein gewöhnlicher Aluminiummantel schützt jedoch den Kohlekopf nur in unvollkommener Weise. In der oberen gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke herrschen Temperaturen zwischen 500 und 700°. Schon etwa 6 Tage nach dem Einsetzen der Kohleanode hat sich der Mantel auf 400 bis 500° erwärmt. 9 bis 10 Tage nach dem Einsetzen fängt der Aluminiummantel auch am Kopf der Kohle an zu schmelzen, noch bevor der Kohlekopf durch die gasdurchlässige obere Schicht der Flußdecke gelangt ist. Aus diesem Grunde findet häufig auch, bei in bekannter Weise ummantelten Kohleanoden ein Abbrand am Kohlekopf statt. Erst durch den erfindungsgemäßen hohen Aluminiumkopf ist es gelungen, diese Erscheinung zu vermeiden.

Es ist auch bereits bekannt, das untere Ende des eisernen Stromzuführungszapfens der Kohleanode mit Elektrodenmasse zum Schütze des Eisens vor Angriff durch den Elektrolyt zu umgeben. Die Verwendung einer solchen Manschette allein gewährleistet aber nicht immer den Schutz des eisernen Zapfens. Wenn der Kohlekopf abbrennt, läßt sich eine ausreichende Bindung zwischen der langsam verkokenden Masse der Manschette und dem Kohlekopf nicht erreichen. Wird der Kohlekopf dazu noch vom Fluß überspült, so dringt dieser zwischen Manschette und Kohlekopf ein; die Manschette löst sich und kann ihre Schutzwirkung nicht mehr ausüben.

Ein ausreichender Schutz wird erst durch die erfindungsgemäße, kombinierte Wirkung eines besonders ausgebildeten Aluminiumkopfes und einer Kohlemanschette um den eisernen Anschlußzapfen erreicht. Durch die wärmeabführende Wirkung des Aluminiumkopfes wird der Kohlekopf beim Durchgang durch die kritische Zone der Flußdecke, wo er noch dem Luftsauerstoff ausgesetzt ist, so weit gekühlt, daß seine Temperatur unterhalb der Grenze bleibt, bei welcher der Abbrand einsetzt. Dadurch bleibt der Kohlekopf erhalten, und es besteht Gewähr dafür, daß sich eine gute Bindung zwischen der Kohlemasse der Manschette und der Kohleanode ergibt und die Manschette auf diese Weise den eisernen Zapfen vor dem Angriff durch den Elektrolyt schützt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Gebrannte Kohleanode für die Aluminium-Schmelzflußelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf ihrer oberen Fläche mit einem dicken Aluminiumkopf versehen ist, der die ganze obere Fläche deckt, mit Ausnahme derjenigen Stelle in der Mitte, wo der Eisenzapfen in den Anodenkopf eingelassen ist, und gegebenenfalls eines schmalen Randes am Umfang, und ferner dadurch, daß der Raum zwischen Aluminiumkopf und Eisenzapfen mit Elektrodenmasse gefüllt ist, wobei die Höhe des Aluminiumkopfes mindestens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke entspricht.

2. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkopf mit mindestens einer Rippe versehen ist.

3. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Alumi-

niumkopf. mindestens zwei Kühlrippen aufweist, wobei die innere zur Aufnahme der Kohlemanschette dient.

4. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande des AIuminiümkopfes eine senkrechte Rippe angeordnet ist, deren Höhe mindestens 70 mm beträgt, und eine zweite Rippe etwa der gleichen Höhe den eisernen Zapfen umgibt, wodurch der Aluminiumkopf oben eine tiefe Rinne aufweist.

5. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkopf den oberen Teil der Kohleanode in Form eines eng anliegenden Mantels umgibt.

6. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Rippe bzw. nur die Rippen des Aluminiumkopfes eine Höhe haben, die mindestens der Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke entspricht, wäh-

rend die Dicke des Aluminiumkopfes an den übrigen Stellen kleiner ist als die Dicke der gasdurchlässigen Schicht der Flußdecke.

7. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkopf, mit Ausnahme der Rippen eine Dicke von 2 bis 10 mm aufweist.

8. Gebrannte Kohleanode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur eine Rippe aufweist, die um den Eisenzapfen angeordnet ist, und zur Aufnahme der Kohlemanschette dient.

9. Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Kohleanode nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkopf aufgegossen wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Kohleanode gemäß Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkopf mit Ausnahme der Rippen durch Spritzen hergestellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen