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Die Erfindung betrifft eine Befestigung zwischen einem Anodenzapfen
und einer Kohlenstoffanode von Schmelzflußelektrolyseöfen für Aluminiumelektrolyse,
bestehend aus einem das Ende des Anodenzapfens satt umschließenden Gußkörper, der
aus einer Ausnehmung der Anode eingegossenen und erstarrten Metallmasse gebildet
und in der Anode materialschlüssig verankert ist.
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Bei der derzeitigen elektrolytischen Erzeugung von Aluminium mittels
sich verbrauchender vorgebackener Kohlenstoffanoden ist es üblich, die Enden der
metallischen anodischen Stromzuführung, meist einen Anodenzapfen, in eine rechteckige
Ausnehmung im Kopf der Anode einzusetzen und den zwischen Zapfen und Kohlekörper
verbleibenden Zwischenraum mit einer elektrisch leitenden Kohlemasse auszustampfen.
Der in der gebackenen Anode befestigte Zapfen dient nicht nur der Stromzuführung,
sondern trägt im Betrieb auch das ganze Anodengewicht.
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Daher muß der Anodenzapfen genügend tief in den Anodenkopf hineinreichen,
damit eine ausreichende Tragkraft der hergestellten Verbindungen gewährleistet ist.
Andererseits soll der Anodenzapfen nicht zu tief in die Anode hineinreichen, damit
das Eisen des Anodenzapfens auch bei zunehmenden Abbrand der Anode nicht mit der
Badschmelze in Berührung kommt und letztere verunreinigt. Aus diesen Gründen ist
es üblich, mit einer von den Anodenköpfen umschlossenen Tiefe der Anodenzapfen von
8 bis 15 cm zu arbeiten. Solche Anoden werden so weit verbrannt, bis unter dem Zapfen
noch eine genügend dicke, den Zapfen gegen den Angriff des Bades schützende Kohleschicht
verbleibt. Die Höhe des Anodenrestes ist also größer als die genannte Befestigungstiefe.
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Die verbrauchten Anoden werden samt Anodenstangen und -zapfen aus
dem Elektrolyseofen entfernt und in eine Werkstatt transportiert, wo die Kohlereste
von den Zapfen weggeschlagen und die letzteren gereinigt werden, damit sie in neue
Anodenblöcke eingesetzt werden können.
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Ein guter elektrischer Kontakt ist nur dann gegeben, wenn der Zapfen
in einer Ecke der Ausnehmung im Anodenkopf eingesetzt wird, derart, daß er mit zwei
seiner Seitenflächen in unmittelbarer Berührung mit der bereits gebackenen Kohlemasse
der Anode steht. Das Kalzinieren der Einstampfmasse erfolgt erst, wenn die Anode
im Betrieb ist, unter dem Einfluß der Wärme der Elektrolysezellen, so daß diese
Kohlemasse erst nach einigen Tagen, wenn deren Verkokung genügend fortgeschritten
ist, eine einigermaßen zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit erreicht. Daraus
ergibt sich auch, daß der Stromübergang wegen der geringen Kontaktflächen von nur
etwa 200 cm2 der Stellen des direkten Kontaktes zwischen Zapfen und Anodenblock,
mangelhaft ist und die Stromverteilung in der Anodenkohle wegen des einseitigen
Stromüberganges schlecht ist.
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Aus beidem resultiert ein relativ hoher anodischer Spannungsabfall.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Anodenzapfen in eine Ausnehmung
des Anodenkopfes einzusetzen und den Zwischenraum mit flüssigem Metall, z. B. Gußeisen,
auszugießen. Doch hat man dabei nur die übliche Arbeitsweise des Einstampfens mit
Kohlemasse nachgeahmt und die Befestigungstiefe etwa im gleichen Maß gehalten, so
daß immer ein bedeutender Anodenrest zurückblieb und auch der Kontaktwider-
stand
durch das Schrumpfen des Gußeisens eher ungünstig wurde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile
zu vermeiden, also zwischen Anodenzapfen und Kohlenanode eine Befestigung zu entwickeln,
die zu einer Verringerung des erwähnten Spannungsabfalls sowie-des Anodenrestes
führt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Befestigung der
oben erläuterten Art gelöst durch eine plattenförmige Ausbildung des Gußkörpers,
dessen von der Kohlenstoffanode umschlossene Tiefe 3 bis 6 cm beträgt, der mit seinen
Seitenwandungen in entsprechende Hinterschneidungen der Anode eingreift und dessen
horizontale Ausdehnung sich in zumindest einer Richtung zur Seitenlänge der Kohlenstoffanode
wie 0,4 bis 0,9: 1, vorzugsweise wie 0,6 bis 0,8 1 verhält.
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Da der Kohleverbrauch einer der größten Kostenfaktoren bei der Elektrolyse
des Aluminiums ist, wurden bereits zahlreiche Versuche durchgeführt, um die Verbindungstiefe
zu verringern. Dabei scheiterte man jedoch vor allem an einem Problem: Bei Aluminiumelektrolyseöfen
ist die Kohlenstoffanode fest in einer Kryolithkruste von 10 bis 15 cm »eingefroren«.
Diese Kruste muß regelmäßig etwa alle drei Stunden mit Preßlufthämmern durchbrochen
werden, um der Schmelze wieder Tonerde zuzuführen. Beim Brechen der Kruste treffen
starke Schläge des Preßlufthammers unmittelbar neben, zum Teil aber auch direkt
auf die Anodenoberseite, so daß die Befestigung außerordentlich stark beansprucht
ist. Eine Verringerung der Verbindungstiefe zwischen Anodenzapfen und Kohlenstoffanode
führte daher bisher immer dazu, daß die Anoden -bei der starken Schlagbeanspruchung
unverbraucht in das Elektrolysebad fielen. Außerdem erfolgte bei den herkömmlichen
Befestigungen nach dem Gießen infolge des Schrumpfens des Gußeisens eine Lockerung
der Verbindung, so daß auch die elektrische Verbindung mangelhaft war. Der elektrische
Energieverbrauch, also der zweite große Kostenfaktor bei der Aluminiumherstellung,
lag daher sehr hoch.
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Trotz jahrzehntelanger Kenntnis dieser Nachteile und zahlreicher
erfolgloser Versuche hinsichtlich einer Abhilfe wurde die Lösung des Problems nicht
gefunden. Dies lag nicht zuletzt daran, daß sich die Fachwelt gegen die Verwendung
von Gußeisen in einer plattenförmigen Ausbildung schon deshalb sträubte, weil dieses
Material außerordentlich spröde ist und daher der Schlagbeanspruchung nach herkömmlicher
Auffassung nicht gewachsen sein kann.
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Bei der Ausbildung der Befestigung gemäß der Erfindung wird ein Lösen
des Gußkörpers von der Anode trotz des Schrumpfens der Metallmasse dadurch verhindert,
daß der Gußkörper mit seinen Seitenwandungen in entsprechende Hinterschneidungen
der Anode eingreift.
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Die erfindungsgemäße Befestigung, die im Verhältnis zu ihrer horizontalen
Ausdehnung nur wenig tief in den Anodenblock eindringt, ermöglicht gleichzeitig
einen guten Stromkontakt und eine Verminderung des Anodenrestes. Dabei kann die
Form der erfindungsgemäß bemessenen stromverteilenden Gußkörper sehr verschieden
ausgebildet sein. Die einfachste Form ist z. B. eine kompakte flachgründende Platte.
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Ist der Anodenzapfen in Form eines Spatens mit länglichem Querschnitt
ausgebildet, so kann seine
Befestigung mit der Kohlenstoffanode
unter Auswertung der gleichen erfinderischen Idee geringfügig verändert werden.
Gemäß der Erfindung ist eine derartige Befestigung gekennzeichnet durch einen flach
ausgebildeten Gußkörper, dessen von der Kohlenstoffanode umschlossene Tiefe 3 bis
6 cm beträgt und der Arme aufweist, die ein Verhältnis ihrer Länge zu ihrer Breite
an der Basis von mehr als 1: 1, vorzugsweise 2: 1 bis 10: 1 aufweisen.
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Bei dieser Ausbildung kann also auf Hinterschneidungen zwischen Gußkörper
und Anode verzichtet werden. Da der Absolutwert der Schrumpfung proportional der
Längenausdehnung ist, schrumpfen die den Gußkörper bildenden Arme zwar in ihrer
Längsrichtung ebenso stark wie eine einfache Platte, nicht jedoch in ihrer Querrichtung.
Der Gußkörper trägt somit die Kohlenstoffanode an den Seitenflächen seiner Arme.
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Zur Herstellung der Befestigung eines Anodenzapfens mit einer Kohlenstoffanode
kann ein besonderes Verfahren angewendet werden. Das Verfahren geht davon aus, daß
der Anodenzapfen in eine entsprechende Ausnehmung der Kohlenstoffanode eingesetzt
und der verbleibende Zwischenraum mit flüssigem Metall ausgegossen wird, das einen
Materialschluß mit dem Kohlenstoff des Anodenzapfens bildet. Gemäß der Erfindung
wird dieses Verfahren so durchgeführt, daß die Ausnehmung in die Anode 3 bis 6 cm
tief eingearbeitet und mit vorspringenden Armen gleicher Tiefe versehen wird, die
ein Verhältnis ihrer Länge zu ihrer Breite an der Basis von mehr als 1:1, vorzugsweise
2:1 bis 10:1 aufweisen, daß dann Anode und Anodenzapfen vorgewärmt werden und daß
schließlich die Ausnehmung mit ihren Armen mit dem flüssigen Metall ausgegossen
wird. Die Bedeutung der Vorwärmung von Anode und Anodenzapfen ist darin zu sehen,
daß dadurch ein vorzeitiges Erstarren des eingegossenen-Metalls bei Herstellung
der Arme verhindert und ein vollständiges Füllen der Ausnehmung in der Kohlenstoffanode
erleichtert wird. Diese Vorwärmung wird man - wenn überhaupt - vor allem dann anwenden,
wenn der Gußkörper nur sehr kurze Arme aufweist.
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Die oben angegebenen Werte hinsichtlich der horizontalen Ausdehnung
des Gußkörpers im Verhältnis zur Seitenlänge der Kohlenstoffanode sind so zu verstehen,
daß die Oberfläche einer Kohlenstoffanode, in die zwei oder mehrere Elektrodenzapfen
eingegossen sind, zeichnerisch in zu den einzelnen Zapfen gehörende Stromverteilungsgebiete
aufgeteilt wird, und die Ausdehnungsverhältnisse der einzelnen Gußkörper jeweils
auf die Abmessungen der entsprechenden Stromverteilungsgebiete bezogen werden.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt.
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Fig. 1 und 2 zeigen in vertikalem Querschnitt bzw. in Draufsicht
eine vorgebackene Anode mit plattenförmigem Gußkörper; F i g. 3 und 4 zeigen in
vertikalem Querschnitt bzw. in Draufsicht eine vorgebackene Anode mit kreuzförmigem
Gußkörper, wobei der Schnitt von Fig 3 durch einen Arm des Kreuzes geht und die
beiden senkrecht dazu liegenden Arme in Seitenansicht dargestellt sind, wie mit
Linie A-A von Fig. 4 gezeigt.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 weist der stromverteilende
Gußkörper 1 die Form einer
zusammenhängenden Platte auf, welche den Anodenzapfen
2 einschließt und in einer Ausnehmung im Kopf der Anode 3 verankert ist. Wie aus
F i g. 2 ersichtlich, ist in diesem Beispiel der Gußkörper 1 quadratisch, doch er
kann ohne weiteres auch rund, oval oder vieleckig ausgebildet sein.
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Zur besseren Verankerung in der Ausnehmung weist der Gußkörper einen
schwalbenschwanzförmigen vertikalen Querschnitt auf, so daß er die Anodenkopfmasse
hinterschneidet. Die Tiefe des Gußkörpers beträgt etwa 5 cm und seine diagonal gemessene
größte Ausdehnung beträgt etwa 60 ovo der Anodenseite. Bei dem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
gemaß Fig.3 und 4 ist der um den Anodenzapfen2 herumgegossene Gußkörper 1 kreuzförmig
ausgebildet und weist vier den Strom in den Kopf der Anode 3 verteilende Arme 4
auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe des Gußkörpers ebenfalls etwa
5 cm, seine größte Ausdehnung 70 ovo der Anodenseite und das Verhältnis der Länge
seiner Arme zu deren Breite etwa 2,8 1. Um den Strom besser in die Ecke der Anode
zu führen, sind die Arme 4 nach den Diagonalen des Anodengrundrisses gerichtet.
Im vertikalen Querschnitt sind sowohl die Arme 4 wie auch der den Zapfen 2 umschließende
Teil des Gußkörpers 1 schwalbenschwanzförmig.
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Infolge der auch bei dieser Ausführungsform dargestellten Hinterschneidung
der Kohlenstoffmasse des Anodenkopfes durch den Gußkörper und zufolge des Gewichts
der im Betriebszustand am Zapfen hängenden Anode wird trotz des Erstarrungs- und
Abkühlungsschwundes ein Auflagedruck auf die schrägen Seitenflächen5 des Gußkörpers
1 erzeugt und eine gute formschlüssige Verbindung zwischen dem stromverteilenden
Gußkörper 1 und der Anode 3 hergestellt.
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Die beschriebenen Ausführungsformen mit trapezförmigen Querschnitt
des Gußkörpers oder der Arme setzen voraus, daß die als Kokille wirkende Ausnehmung
im Anodenkopf bereits eine entsprechend hinterschnittene Form aufweist, die sich
aber bei der Herstellung der grünen Anodenblöcke auf der Presse aus einem warmen
Gemisch von Kokspulver und Pech als Bindemittel nicht ohne weiteres erzeugen läßt,
weil sich der Block an dem die Ausnehmung bildenden Aufsatz des Preßwerkzeuges verklemmen
würde; die Hinterschneidungen müssen nachträglich, vorzugsweise in der noch grünen
Masse, d. h. vor dem Backen der Anode, herausgearbeitet werden.
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Eine solche, an sich günstige Ausbildung mit trapezförmigem Querschnitt
des Gußkörpers ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Ein kreuzförmiger Gußkörper
mit vertikalen parallelen Seitenflächen ist ebenfalls brauchbar, insbesondere weil
die Rauheit der Kohlenseitenwände der Anodenkopfausnehmung zusammen mit der relativ
kleinen Querschrumpfung der schmalen Arme bereits verhindert, daß der Gußkörper
sich löst. Es ist auch möglich, örtliche Untergrabungen in den Wänden der Ausnehmung,
z. B. in der Nähe der Ansatzstelle des Gußkörpers am Anodenzapfen, z. B.
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mit dem Meißel oder mit einem geeigneten Apparat auszuheben oder einzustoßen,
welche die erforderliche Verankerung des Gußkörpers in der Elektrode ergeben. Auch
können vertikale und geneigte Seitenwände des Gußkörpers kombiniert sein, wobei
mit Vorteil die geneigten Seitenwände mindestens 50 °/o des Umfangs des Gußkörpers
bilden.
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Die Seitenarme können, wie in F i g. 3 dargestellt,
durch
das Zentrum der Vorrichtung, d. h. radial verlaufen. Dies ist aber nicht erforderlich:
Wenn statt eines Zapfens mit quadratischem Querschnitt ein Spaten mit länglichem
Querschnitt verwendet wird, z. B. für Anoden mit rechteckigem Grundriß, können die
Arme auch senkrecht oder schräg zum Spaten gerichtet sein, ohne durch die Mitte
der Vorrichtung zu verlaufen.
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Mit der erfindungsgemäßen kreuzförmigen Stromzuführungsvorrichtung
nach Fig. 3 und 4 versehene Anoden wurden in mehreren Elektrolyseöfen über Monate
eingesetzt. Es zeigte sich dabei, daß die Anoden bis zu einer geringen Resthöhe
von 7 bis 8 cm abgebrannt werden konnten.
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Die Anoden haben üblicherweise eine Angangshöhe von etwa 40 bis 50
cm. Jeder Zentimeter, um welche die Resthöhe gekürzt, d. h. die Anode weiter abgebrannt
werden kann, bedeutet also eine Einsparung von 2 bis 2t/2°/o. Da gegenüber der bekannten
Einsatztiefe des Zapfens von 8 cm oder mehr nach der Erfindung eine solche von nur
5 cm ermöglicht wird, kann die Anode um mindestens 3 cm weiter abgebrannt werden,
was eine Kohleneinsparung von mindestens 6 bis 8 O/o ergibt. Da der Anodenverbrauch
pro Kilo erzeugten Aluminiums bei etwa 500g liegt, fällt die genannte Einsparung
stark ins Gewicht.
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Die Erfindung vereinigt also den Vorteil des guten elektrischen Kontakts
mit demjenigen möglichst großer Kohleneinsparung.
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Bei den Versuchen mit Anoden mit eingegossenen Zapfen war der Kontakt-Spannungsabfall
zwischen Zapfen und Anodenkohle deutlich tiefer als bei Anoden mit eingestampften
Zapfen. Auch sind die Meßergebnisse von Anoden mit eingestampften Zapfen wegen des
ungleichmäßigeren Obergangswiderstandes unterschiedlich, während sie bei Anoden
mit eingegossenen Zapfen gleichmäßiger ausfallen. Versuchsöfen konnten dementsprechend
auch mit einer durchschnittlich etwa 0,05 bis 0,lV tieferen Gesamtofenspannung als
sonst gleiche Vergleichs öfen gefahren werden.
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Die Stromausbeute von Öfen mit eingegossenen Anoden zeigte dank des
gleichmäßigeren Kontaktspannungsabfalles der einzelnen eingegossenen Anoden und
der dadurch bewirkten gleichmäßigeren Stromverteilung eine leichte Erhöhung.
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Die niedrigere Gesamtofenspannung und eine leicht höhere Stromausbeute
ergeben eine Verringerung im spezifischen Energieverbrauch.
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Die Ausbildung des Gußkörpers mit Armen bietet den Vorteil, daß mit
möglichst wenig Gußmetall die größtmögliche Umfangsfläche, also die größtmögliche
Kontaktfläche erreicht wird und daß ferner der Strom in dem Anodenkopf möglichst
gut verteilt wird.
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Zunächst wurde vermutet, daß die verringerte Anodenresthöhe dazu
führen würde, daß beim Herausziehen des Anodenrestes durch die harte Elektrolytkruste
leicht Teile abbrechen und ins Elektrolytbad fallen könnten; dadurch wäre der Betrieb
stark behindert und die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eventuell unmöglich
geworden.
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Überraschenderweise zeigte sich im Betrieb jedoch eine eher größere
Festigkeit des bedeutend dünneren Anodenrestes. Diese große Festigkeit ist auf die
in warmem Zustand zähen Guß eisen arme zurückzu-
führen, die die weit ausladenden
Ecken des Anodenrestes gewissermaßen tragen. Nach dem Erkalten ist das Gußeisen
dagegen spröde, so daß es sich unschwer vom Anodenzapfen abschlagen läßt.
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Zur Herstellung des Gußkörpers kann, nach Einsetzen des Zapfens,
das flüssige Gußeisen in die Ausnehmung der im kalten Zustand vorliegenden Anode
eingegossen werden. Diese Abeitsweise eignet sich vor allem dann, wenn der Gußkörper
plattenförmig ist. Zur Erzeugung eines sternförmigen Gußkörpers, der in einen relativ
engen Zwischenraum zwischen Zapfen und Kohlewand und in die engen Ausnehmungen für
die Arme eingegossen wird, ist es vorteilhaft, vor dem Eingießen die Anode samt
eingesetztem Zapfen mit einer Gasflamme vorzuwärmen.
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Es wird dadurch ein vorzeitiges Erstarren des Gußeisens verhindert
und ein vollständiges Füllen der Ausnehmung erleichtert. Nach dem Gießen werden
die Anoden mittels Preßluft auf eine Temperatur gekühlt, die ein Anbringen eines
Kragens aus Kohlemasse zuläßt. Dieser Kragen soll, wie im Falle der herkömmlichen
Anoden mit eingestampften Zapfen, im Elektrolyseofen den Zapfen gegen den Angriff
des Elektrolyten schützen, dies vor allem gegen Ende der Lebensdauer der Anode,
wenn der Anodenkopf tief liegt.
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Der Gußkörper aus Gußeisen weist noch den weiteren Vorteil auf, daß
er den Zapfen gegen den Angriff der Kohle schützt, so daß die Instandhaltung der
Zapfen weniger Arbeit verlangt. Ferner läßt sich bei abgenützten und erkalteten
Anoden der Kohlerest ohne Schwierigkeit vom Gußkörper wegschlagen und der Gußkörper
durch einen stärkeren Schlag vom Zapfen trennen. Dabei bleibt der Zapfen mit sauberer
Oberfläche zurück, während eingestampfte Zapfen nach Wegschlagen des Anodenkohlenrestes
zum Entfernen der anhaftenden Kohlereste vor der Wiederverwendung sandgestrahlt
werden müssen. Das Gußeisen selbst wird eingeschmolzen und wieder verwendet.
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In längerem Betrieb von ganzen Elektrolysehallen mit der erfindungsgemäßen
Anodenstromzuführung haben sich große Betriebsvorteile ergeben, die sich insbesondere
in einer mehr als 6 bis 8 zeigen Kohleeinsparung und einer Verringerung des spezifischen
Energieverbrauches von 0,2 bis 0,4 kWh/kg Al gegenüber dem konventionellen Betrieb
unter Verwendung von Anoden mit eingestampften Anodenzapfen bemerkbar machen.