DE1558744C

DE1558744C - Verfahren zur Herstellung einer festen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem metallischen Leiter und einer Kohlen stoffanode fur Aluminiumreduktionszellen

Info

Publication number: DE1558744C
Authority: DE
Inventors: Richard Duane Cupertino Calif Clukey Wayne Hemlin Spokane Wash Hildebrandt, (V St A) A61b5 10
Original assignee: Kaiser Aluminum & Chemical Corp, Oakland, Calif (V St A)
Publication date: 1972-11-16

Description

Durch dieses Verfahren ergeben sich erhebliche Vorteile, verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren. Die Paste, die erfindungsgemäß verwandt wird, ist ein reines Kohlenstoff material und kann daher nicht verschmutzend wirken, falls sie in der Zelle verlorengeht oder mit dem Leitermaterial der Anode wieder verwandt wird. Außerdem ergeben sich Vorteile dadurch, daß die Herstellung der Paste sicherer und einfacher ist und bei einer niedrigeren Temperatur vorgenommen werden kann als mit geschmolzenem Eisen. '■-.-..

Die Zusammensetzung der verwendeten Paste richtet sich innerhalb des beanspruchten Bereiches nach der Breite des Spaltes zwischen dem Stummel und der Ausnehmung in der Anode. Für sehr gut passende Sitze verwendet man vielleicht 50% Graphitkörnung, für die üblichen Elektrolysereduktionszellen etwa 70 bis 75 % Graphitkörnung, für die sehr breiten Verbindungen größere Mengen, beispielsweise 80%· Außerdem wird die Graphitkörnung als Träger für einen Katalysator verwandt und dient zur Steuerung der Schrumpfung der Paste während der Verwendung der Anode in der elektrolytischen Reduktionszelle. Je mehr Graphitkörnung verwandt wird, um so weniger neigt das Harzbindemittel dazu, beim Backen während des Betriebes der Anode zu schrumpfen.

Der Säurekatalysator, der verwandt wird, muß eine organische Säure sein, um zu verhindern, daß nicht Kohlenstoffmaterialien in das Gemisch eingeführt werden.

Diese Paste wird in die Ausnehmung im oberen Ende der Anode gegeben. Der metallische Leiter wird auf eine erhöhte Temperatur gebracht, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereiche von 100 bis 250⁰C. Dann wird er in die Ausnehmung eingesetzt, wodurch die Paste in der« Ausnehmung nach oben

ίο und um den Leiter herum verdrängt wird. Die Temperatur des Leiters reicht aus, den katalytischem . Polymerisationsprozeß des Furfurylalkoholharzes auszulösen. Auf diese Weise entsteht eine fest bindende, sich der Kontur anpassende elektrisch leitende Verbindung, die den metallischen Leiter in der Anode festhält. In weniger als 5 Minuten ist die Verbindung stark genug, daß die Anordnung aus Anode und metallischem Leiter angehoben und bewegt werden kann. Wenn die Anode in einer elektrolytischen

ao Reduktionszelle in Betrieb genommen wird, härtet die Paste unter dem Einfluß der Wärme, die bei dem Prozeß entsteht, durch und erreicht ihre endgültige Festigkeit.

Die Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen einer erfindungsgemäßen Verbindung, einer üblichen gußeisengebundenen Anodenanordnung und einer absichtlich falsch eingestellten Furfurylalkoholharzbindung.

Leiter-Kohlenstoff widerstand in μΩ

Anode im Betrieb in Tagen

2 ' I 3 I 4 |5

Standardanode.

Richtig eingestellte Furfurylalkoholharzbindung

Falsch eingestellte Furfurylalkoholharzbindung

98

74
78

83
81
99

116
130

77
77
78

86
95
93

160
150
108

51	97
81	72
90	69
96	97
87	82
90	83
191	150
138	131
160	125

72
82
57

97
90
66

274

87
75
70

114
84
64

(abgebrannt)

Für diese Versuche wurde die Paste durch Vermischen eines Gewichtsteiles Furfurylalkoholharz mit 1 und l^l/₂ Gewichtsteilen von Graphitkörnung hei gestellt. Die Graphitkörnung wurde mit p-Benzolsulfonsäure imprägniert. Die Bestandteile wurden kalt zu einer Paste gemischt. Ungefähr 585 g dieser Paste, die die Konsistenz von Erdnußbutter hatte, wurde in die Ausnehmung der Kohlenstoffanode gegeben. Der metallische Leiter, der mit einer Kupferstange verbolzt war, wurde dann auf eine Temperatur von 200⁰C erwärmt und von Hand in die Ausnehmung der Anode gepreßt, wodurch die Paste nach oben und um den Leiter herum verdrängt wurde, so daß der Raum zwischen Kohlenstoff und Leiter ausgefüllt war. Die Wärme des Leiters löste den katalytischen Polymerisationsprozeß des Furfurylalkoholharzes aus, so daß es sich bald so verfestigte, daß es in der Lage war, nach einigen Minuten das Gewicht der Anode aufzunehmen. Daraufhin wurde die Anode in eine Zelle eingesetzt, wie das üblich ist. Das Harzbindemittel härtete schließlich durch und stellte die elektrische Verbindung her, nachdem die Anode erwärmt war und unter der elektrischen Belastung stand.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, hat. die Anodenanordnung mit der richtig gemischten Paste für den Raum zwischen dem Leiter und den Seiten der Ausnehmung in der Anode im Betrieb im wesentlichen denselben Übergangswiderstand wie die herkömm-„· liehe Anodenanordnung unter Verwendung von Gußeisen.

Eine weitere Anodenanordnung wurde absichtlich mit einem Gemisch hergestellt, das nicht für den Abstand oder den Spalt zwischen Leiter und der Seitenwand der Ausnehmung geeignet war, d. h., der Leiter wurde absichtlich falsch in die Ausnehmung eingeführt. Wie aus der Tabelle hervorgeht, ging die feste Pastenverbindung nach 5 Tagen kaputt. Aus diesen Versuchen geht hervor, daß das obenerwähnte Gemisch der Paste für einen Ringspalt von etwa 4,7 ± 1,5 mm für einen Leiter von etwa 10 cm Durchmesser richtig ist. Das Schrumpfen der Paste entsprach der thermischen Ausdehnung des. Stahls ziem-

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lieh genau, denn es trat weder eine Lockerung hoch sehen um 90° aus der gewünschten Stellung heraus ein Platzen dieser Verbindung während des Betnebes eingesetzt. Bereits nach 30 Sekunden Abbindezeit ein. konnte der Stummel sogar von zwei Männern mit Bei einem anderen Versuch unter Verwendung der einer Stahlstange nicht mehr von der Stelle gerührt gleichen Körnung und Furfurylalkoholharz als Binde- 5 werden. Das zeigt deutlich, daß eine sehr feste Vermittel und einem etwas größeren Überschuß an bindung in einer außerordentlich kurzen Zeit entKatalysator wurde der erwärmte Stummel aus Ver- steht. ,> ■

Claims

1 2 der Anode eine Ausnehmung gebildet, die größer ist Patentansprüche: als der Leiter. Dieser metallische Leiter kann aus einem Stück gefertigt sein. Sein unteres Ende oder Stummel

1. Verfahren zur Herstellung einer festen und kann auch ein getrenntes Stück sein, das an einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem 5 Stange in geeigneter Weise, beispielsweise durch metallischen Leiter und einer Kohlenstoffanode Verbolzen "oder Schweißen, Befestigt ist. Das Stangenfür Aluminiumreduktionszellen, bei dem der teil und das Stummelteil des metallischen Leiters metallische Leiter in eine in einer Ausnehmung können aus dem gleichen, aber auch aus verschiedenen der Kohlenstoffanode befindliche Paste hineinge- Metallen bestehen, beispielsweise kann das Stangendrücktwird, dadurch gekennzeichnet, io teil aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein und daß der metallische Leiter vor dem Hineindrücken das Stummelteil aus Stahl, Kupfer oder Aluminium, erwärmt wird. Der Stummel des metallischen Leiters wird in die

, 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Ausnehmung eingesetzt und geschmolzenes Eisen zeichnet, daß der metallische Leiter auf eine Tem- um den Stummel gegossen. Daraufhin läßt man es peratur zwischen 100 und 250⁰C erwärmt wird. 15 erstarren. Wenn die Verbindung ausreichende Festig-3. Verwendung einer Paste, bestehend aus einer keit erreicht hat, dann können die Anode und der Mischung aus 20 bis 50 Gewichtsprozent Furfuryl- metallische Leiter bewegt werden und, falls ertorder-. alkoholharz und 50 bis 80 Gewichtsprozent mit Hch, in einer elektrolytischen Reduktionszelle in einer katalytisch wirkenden organischen Säure Betrieb genommen* werden.

imprägniertem Graphit mit einer Korngröße bis ao Das gegenwärtige Verfahren besitzt, obwohl es zu 2,36 mm bei dem Verfahren nach den An- sonst ganz befriedigend ist, doch einige Nachteile. Sprüchen 1 und

2. Das Eisen muß geschmolzen werden, damit es flüssig

in die Ausnehmung um den Stummel gegossen werden

kann. Es wäre daher wünschenswert, die Kosten des

35 Schmelzens des Eisens merklich zu verringern oder ganz zu beseitigen. Springt die Anode oder zerbricht sie während des Betriebes, besteht die Gefahr, daß

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur eine Verunreinigung der Schmelze des Elektrolyten Herstellung einer festen und elektrisch leitenden Ver- eintritt. Wenn außerdem die verbrauchte Anode aus bindung zwischen einem metallischen Leiter und einer 30 der im Betrieb befindlichen Zelle entfernt werden Kohlenstoffanode für Aluminiumreduktionszellen, bei muß, wird der Stummel der Anode aufbewahrt und dem der metallische Leiter in eine in einer Ausneh- gemahlen, damit er bei der Herstellung neuer Anoden mung der Kohlenstoffanode befindliche Paste hinein- oder bei der Herstellung von Zellenauskleidungen gedrückt wird, wieder verwandt werden kann.

Bei der Gewinnung von Aluminium nach dem 35 Hier besteht die Gefahr, daß etwas Eisen an den herkömmlichen elektrolytischen Verfahren werden Kohlenstoffteilchen der Anode zurückbleibt, wodurch von oben in die Elektrolysezelle eine oder mehrere, unerwünschte Verunreinigungen in die Elektrolysesich verbrauchende Kohlenstoff elektroden, welche die zelle gelangen könnten.

Anode bilden, eingeführt, die mit ihren unteren Enden Bei Söderberg-Anoden ist es bekannt, elektrische

in eine Schicht eines geschmolzenen Elektrolyten 40 Leiter in die noch flüssige Anodenpaste hineinzueintauchen, der in der Zelle liegt. Im Betrieb wird der drücken und sie in dem Maße, wie die Anodenpaste Elektrolyt, ein Gemisch aus Aluminiumoxid und beim Herabsenken der Anode erstarrt, nach oben Kryolith, in die Zelle eingetragen und ein elektrischer herauszuziehen, so daß noch flüssige Anodenpaste in Strom durch die Zelle hindurchgeleitet, der dabei das Loch hineinläuft, worauf der Leiter in das Loch von der Anode über die Schicht aus geschmolzenem 45 zurückgesteckt wird. Bei diesem Verfahren wird die Elektrolyt hindurchgeht zur Kathode, während sich Anode jedoch nicht von dem Leiter getragen und dient an der Anode Sauerstoff ansammelt. Eine Kruste aus nur zur Zuführung des Elektrolysestromes,
verfestigtem Elektrolyt und Aluminiumoxid bildet Zur Vermeidung der erwähnten Nachteile wird

die Oberfläche des Bades und wird im allgemeinen mit erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer zusätzlichem Aluminiumoxid abgedeckt. 5° festen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen

Bei dem herkömmlichen Elektrolyseverfahren wer- einem metallischen Leiter und einer Kohlenstoffden zwei Arten von Anoden verwandt, nämlich vor- anode für Aluminiumreduktionszellen, bei dem der gebrannte Anoden und Söderberg-Anoden. Bei jeder metallische Leiter in eine in einer Ausnehmung der dieser Zellen ist der Reduktionsprozeß, der sich Kohlenstoffanode befindliche Paste hineingedrücfo abspielt, chemisch gesehen genau derselbe. Die vor- 55 wird, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, gebrannten Anoden sind Kohlenstoffanoden, die im daß der metallische Leiter vor dem Hineindrücken fertigen Zustand in die Zelle eingesetzt werden. erwärmt wird. . *

Söderberg-Anoden sind selbstbackende Anoden, die Die Erwärmung des metallischen Leiters erfolgt

in situ hergestellt werden, d.h., sie werden während auf eine Temperatur zwischen 100 und 250⁰C.
des Betriebes der Elektrolysezelle gebacken unter 60 In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Her-Ausnutzung eines Teiles der Wärme, die durch den stellung einer festen und elektrisch leitenden Verbin-Reduktionsprozeß erzeugt wird. Das vorliegende dung zwischen einem metallischen Leiter und einer Verfahren ist besonders anwendbar auf die vor- Kohlenstoffanode wird einer Paste verwendet, die gebrannte Anode. aus einer Mischung aus 20 bis 50 GewichtsprozenL

Nach dem gegenwärtigen Verfahren zur Herstellung 65 Furfurylalkoholharz und 50 bis 80 Gewichtsprozent eines elektrischen Kontakts mit der vorgebrannten mit einer katalytisch wirkenden organischen Säure Kohlenstoffanode und der Stromquelle wird ein imprägniertem Graphit mit einer Korngröße bis zu metallischer Leiter verwandt. Im oberen Teil ist in 2,36 mm besteht.