DE10164013C1 - Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach der Methode der Längsgraphitierung, dadurch geknnzeichnet, daß in einem Längsgraphitierungsofen die Kathodenblöcke so angeordnet sind, daß der Abstand ihrer Endflächen zwischen 25 und 150 mm beträgt, und daß der Stromübergang zwischen den einzelnen Kathodenblöcken durch leitfähige Körper vermittelt wird, und daß jeweils zwei Kathodenblöcke auf den leitfähigen Körpern derart aufliegen, daß der Kontakt zwischen den Kathodenblöcken und den leitfähigen Körpern durch die Gewichtskraft vermittelt wird, die auf die Kathodenblöcke wirkt, die so erhaltenen Kathodenblöcke und deren Verwendung zur elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken insbesondere für die elektrolytische Herstellung von Aluminium.

Bei der elektrolytischen Herstellung von Aluminium nach dem Hall-Héroult-Verfahren werden Elektrolysezellen eingesetzt, die einen aus einer Vielzahl von Blöcken zusammengesetzten Boden umfassen, der als Kathode wirkt. Der Elektrolyt ist eine Schmelze, im wesentlichen eine Lösung von Aluminiumoxid in Kryolith. Die Arbeitstemperatur liegt beispielsweise bei ca. 1000°C. Das elektrolytisch abgeschiedene geschmolzene Aluminium sammelt sich auf dem Boden der Zelle unter einer Schicht des Elektrolyten. Um die Zellen ist ein metallisches Gehäuse (bevorzugt Stahl) mit einer Auskleidung aus hochtemperaturbeständigem Material.

Das Material der Kathodenblöcke ist wegen der erforderlichen chemischen und thermischen Beständigkeit bevorzugt Kohlenstoff, der durch thermische Behandlung teilweise oder vollständig graphitiert sein kann. Zur Herstellung solcher Kathodenblöcke werden Mischungen von Pechen, Koksen, Anthrazit und/oder Graphit in ausgewählten Teilchengrößen bzw. Teilchengrößenverteilungen für die Feststoffe gemischt, geformt und gebrannt und gegebenenfalls (teilweise) graphitiert. Das Brennen (Carbonisierung) erfolgt üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1200°C, die Graphitierung üblicherweise bei Temperaturen von über ca. 2400°C.

Während graphitierte Kathoden wegen ihrer höheren elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt werden, zeigen sie eine stärkere Abnutzung während des Betriebs, entsprechend einer mittleren jährlichen Abnahme ihrer Dicke von bis zu 80 mm. Diese Abnutzung ist nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke (entsprechend der Breite der Zelle) verteilt, sondern verändert die Oberfläche der Kathodenblöcke zu einem W-förmigen Profil. Durch den ungleichmäßigen Abtrag wird die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke begrenzt durch die Stellen mit dem größten Abtrag.

Eine Möglichkeit, den Abtrag über die Länge des Kathodenblocks zu vergleichmäßigen und damit die Nutzungsdauer zu verlängern, besteht darin, die Kathodenblöcke so auszuführen, daß ihr elektrischer Widerstand über die Länge variiert, derart daß die Stromdichte (und damit die Abnutzung) über ihre Länge gleichmäßig ist oder zumindest eine möglichst geringe Abweichung über die Länge von ihrem Mittelwert aufweist.

Eine Lösung ist in DE 20 61 263 beschrieben, wobei zusammengesetzte Kathoden gebildet werden entweder aus mehreren Kohlenstoffblöcken mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die so angeordnet werden, daß sich eine gleichmäßige oder annähernd gleichmäßige Stromverteilung ergibt, oder aus Kohlenstoffblöcken, deren elektrische Widerstände in Richtung der kathodischen Ableitungen kontinuierlich zunehmen. Die Anzahl der Kohlenstoffblöcke und deren elektrischer Widerstand richten sich jeweils nach Zellengröße und Zellentyp, sie müssen für jeden Fall neu errechnet werden. Kathodenblöcke aus einer Vielzahl von einzelnen Kohlenstoff-Blöcken erfordern einen hohen Aufwand bei der Konstruktion; auch müssen die Stoßstellen jeweils gut abgedichtet werden, um ein Ausfließen des flüssigen Aluminiums an den Stoßstellen zu vermeiden.

In der WO 00/46426 ist eine Graphitkathode beschrieben worden, die aus einem einzelnen Block besteht, der eine über seine Länge veränderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei die Leitfähigkeit an den Enden des Blocks niedriger ist als in der Mitte. Diese ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit wird erreicht, indem während der Graphitierung die Endzonen auf eine Temperatur von 2200 bis 2500°C gebracht werden, während die mittlere Zone einer Temperatur von 2700 bis 3000°C ausgesetzt wird. Diese unterschiedliche Wärmebehandlung kann gemäß dieser Lehre durch zwei Weisen erreicht werden: einmal kann die Wärmeableitung im Graphitierungsofen unterschiedlich begrenzt werden, oder es können Wärmesenken in der Nachbarschaft der Endzonen eingebracht werden, die den Wärmeverlust erhöhen. Bei einer Quergraphitierung wird dabei die Dichte der wärmeisolierenden Schüttung so verändert, daß der Wärmeverlust über die Länge der Kathoden ungleichmäßig wird und damit die gewünschten Temperaturen eingestellt werden. Auch bei der Längsgraphitierung kann durch unterschiedliche Ausführung der wärmeisolierenden Schüttung der Wärmeverlust in der Nähe der Enden vergrößert werden, oder es werden zu diesem Zweck wärmeableitende Körper bevorzugt aus Graphit in deren Nähe eingebracht, die einen stärkeren Wärmeabfluß nach außen zur Ofenwand hin bewirken.

Gemäß einer anderen Methode kann der Unterschied der Wärmebehandlung durch Lokale Veränderung der Stromdichte erfolgen, mit der Folge unterschiedlicher Wärmeentwicklung. Diese Veränderung der Stromdichte kann gemäß der Lehre durch unterschiedliche Widerstände der leitenden Schüttung zwischen zwei Kathoden in einem Acheson-Ofen (Quergraphitierung) erfolgen, für ein Längsgraphitierungsverfahren ist kein derartige Lösung angegeben.

Diese bekannten Methoden weisen für die Praxis erhebliche Nachteile auf. Ein Unterschied von 500°C für die gewünschten Graphitierungstemperaturen in der Mitte und an den Enden der Kathoden ist durch Wärmesenken allein nicht erreichbar. Unterschiedliche Wärmeableitung nach außen in dem erforderlichen Maße bringt einen erheblichen Energieverlust, der die Fertigung wesentlich verteuert. Der höhere Wärmeverlust nach der Seite des Ofens bedeutet auch eine höhere thermische Beanspruchung, die die Konstruktion des Ofens verteuert oder seine Lebensdauer vermindert. Schließlich ist eine Inhomogenität der wärmeisolierenden bzw. der leitenden Schüttung wenig praktikabel, da das Schüttungsmaterial zur Befüllung in mehreren Schritten eingebracht werden müßte und nach dem Abschluß des Ofenzyklus und dem Entfernen der Kathoden wieder entsprechend seiner Wärmeleitung bzw. elektrischen Leitfähigkeit klassiert werden müßte.

Ein weiterer Nachteil bei der Längsgraphitierung ist, daß dem zur Erzeugung der Joule'schen Wärme benötigte Strom, der durch die Kathodenblöcke fließt, beim Übergang von einem Kathodenblock zum nächsten üblicherweise nicht der gesamten Querschnitt der Kathodenblöcke als Kontaktfläche zur Verfügung steht, sondern daß wegen der Unvollkommenheit der Endflächen der wirksame Leitungsquerschnitt beim Übergang geringer ist als die Querschnittsfläche der Kathodenblöcke. Dies führt zu einer lokalen Erhöhung des elektrischen Widerstandes und damit zu einer zusätzlichen Erwärmung an den Endflächen und in den ihnen nahen Zonen. Bei der Graphitierung bedeutet dies durch die Temperaturerhöhung eine Beschleunigung der Graphitierung und damit die Entstehung einer Zone höherer Leitfähigkeit in der Nähe der Enden der Kathodenblöcke, also genau entgegen dem gewünschten Verlauf der Leitfähigkeit.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein abgewandeltes Verfahren zur Längsgraphitierung zur Verfügung zu stellen, wobei die Stromdichte in der Nähe der Enden der Kathodenblöcke gegenüber der in der Mittelzone vermindert wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken, bei dem die Überleitung des Stroms von einem der Kathodenblöcke zum benachbarten über leitfähige Kontaktkörper erfolgt, die jeweils eine Auflagefläche für jede der beiden benachbarten Kathodenblöcke sowie ein die beiden Flächen verbindendes Joch aufweisen. Die Entfernung zwischen den Endflächen zweier aufeinanderfolgender Kathodenblöcke beträgt dabei mindestens 25 mm und höchstens 150 mm. Dabei liegen jeweils zwei Kathodenblöcke auf den leitfähigen Kontaktkörpern derart auf, daß der Kontakt zwischen ihnen und den Kathodenblöcken durch die Gewichtskraft vermittelt wird, die auf die Kathodenblöcke wirkt.

Bevorzugt sind die Kontaktkörper so ausgeführt, daß sie in der Seitenansicht das Profil eines H zeigen, ohne die beiden unteren Schenkel, wobei die Kathodenblöcke so auf den Kontaktkörpern aufliegen, daß sie durch ihre Gewichtskraft auf diese drücken und dadurch die für die Stromleitung erforderliche Flächenpressung aufbringen.

Bevorzugt werden die Kontaktkörper für das Verfahren so ausgeführt, daß die Auflagefläche der Kathodenblöcke auf den leitfähigen Kontaktkörpern jeweils mindestens 12.500 und höchstens 250.000 mm² beträgt.

Die leitfähigen Kontaktkörper müssen den auftretenden hohen Temperaturen widerstehen und sollen auch eine möglichst hohe Leitfähigkeit besitzen. Dabei haben sich solche Körper bewährt, die zu mindestens 50% ihrer Masse aus Graphit bestehen. Besonders bevorzugt sind Körper, die zu mehr als 80% aus Graphit bestehen, insbesondere sind Körper geeignet, die aus reinem Graphit oder aus Graphit mit maximal 5% ihrer Masse an Beimengungen bestehen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die leitfähigen Kontaktkörper einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 8 µΩ.m besitzen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kathodenblöcke lassen sich bei der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium einsetzen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach der Methode der Längsgraphitierung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Längsgraphitierungsofen die Kathodenblöcke so angeordnet sind, daß der Abstand ihrer Endflächen zwischen 25 und 150 mm beträgt, und daß der Stromübergang zwischen den einzelnen Kathodenblöcken durch leitfähige Körper vermittelt wird, und daß jeweils zwei Kathodenblöcke auf den leitfähigen Körpern derart aufliegen, daß der Kontakt zwischen den Kathodenblöcken und den leitfähigen Körpern durch die Gewichtskraft vermittelt wird, die auf die Kathodenblöcke wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Körper das Profil eines H ohne die unteren Schenkel besitzen, wobei die Kathodenblöcke auf den oberen Schenkeln aufliegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche der Kathodenblöcke auf den leitfähigen Körpern jeweils mindestens 12500 und höchstens 250 000 mm² beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Körper zu mindestens 50% ihrer Masse aus Graphit bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Körper einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 8 µΩ.m besitzen.