DE1947880A1 - Ausruestung zum zusaetzlichen Erhitzen von OEfen fuer die Herstellung von Aluminium - Google Patents

Description

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Montecatini Edian S.p.A.
und Giuseppe de Varda
Mailand/Italien

München, 22. September 1969 M/9774

Ausrüstung zum zusätzlichen Erhitzen von Öfen für die Herstellung von Aluminium

Die Erfindung betrifft eine Ausrüstung zum Erhitzen des Bodens und/oder der Wände von Öfen für die Herstellung von Metallen - und besonders von Aluminium - durch Elektrolyse (in Schmelzsalzbädern). Es ist bekannt, daß herkömmliche öfen für die Herstellung von Aluminium durch die sogenannte Schmelzflußelektrolyse eine Wärmezufuhr von außen nicht erfordern; folglich besteht für deren Erhitzen kein Problem.

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Die Mehrzellenöfen für Elektrolyse in geschmolzenen Salzen, die mit bipolaren Elektroden ausgestattet sind und kürzlich von der Anmelderin entwickelt und zum Patent angemeldet worden sind, können ;)edoeh ein solches Problem aufwerfen, da in diesen öfen das hergestellte geschmolzene Aluminium und dessen Nachbarζoneη des Bades zur Vermeidung der Kühlwirkung nicht länger über die Joulesche Wärme verfügen, die bedingt ist durch den Strom, der durch einen Kathodenboden fließt, auf dem sich das Aluminium sammelt, wie in den herkömmlichen öfen; Das Fehlen eines Kathodenbodens in den genannten Mehrzellenöfen für die Elektrolyse von geschmolzenen Salzen durch bipolare Elektroden hat zur Folge, daß es einige Zonen weit entfernt vom Elektrodensystem der genannten Öfen gibt, die als "kalte" Zonen zu betrachten sind oder genauer gesagt als Zonen, die zu kalt sind, um das in der Samaelvertiefung oder den Sammelvertiefungen gewonnene Aluminium im Zustand ausreichender Fließbarkeit zu halten und vor allem um die geschmolzenen Salzschichten, die besagtes geschmolzenes Aluminium umgeben, in flüssigem und fließendem Zustand ohne außergewöhnliche thermische Isolierung oder Zufuhr äußerer Wärme zu halten; als "kalte" Zonen werden solche Zonen bezeichnet, deren Temperatur gleich oder geringer ist als die Temperatur, bei welcher sich ein Bad - mit einer gegebenen Zusammensetsung - verfestigt, daa heißt eine Temperatur, bei der das Bad zur Verdickung und/oder Verfestigung neigt. Für Kryolithbäder,

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wie sie gewöhnlich, für die elektrolytische Aluminiumherste1-

spezif isches^ Gewicht lung verwendet werden (und die ein jaMMHliHMtott geringer oder größer als das geschmolzene Aluminium haben, je nachdem ob sie in flüssigem, festem oder halbfestem Zustand vorliegen), können die Zonen bei einer Temperatur von 800⁰C bis 900⁰C oder niedriger als "kalt" im obigen Sinne bezeichnet werden.

Die Gegenwart von auch nur teilweise verdickten oder verfestigten Badschichten in den Sammelzonen des hergestellten Aluminiums kann das Anstechen des hergestellten Metalls schwierig, wenn nicht unmöglich, machen. Außerdem kann die Verfestigung des Bades in den genannten Zonen auch ein Ansteigen des geschmolzenen Aluminiums bewirken: in diesem Fall können sich kontinuierliche Aluminiumschichten auf dem Boden des Ofens bilden entsprechend zwei oder mehreren bipolaren Elektroden, wodurch ein Ableiten des Stromes durch die genannten Aluminiumschichten eintritt. In diesen bipolaren Elektrodenöfen für die Elektrolyse von geschmolzenen Salzen bestand das Problem, das hergestellte Aluminium in Vertiefungen zu sammeln, die sich möglicherweise in "heißen" Zonen des Ofens befinden. Eb ist nicht immer leicht, derartige Zonen für den beabsichtigten Zweck vorzusehen und zu verwenden. Die Anmelderin hat zu diesem Zweck Erwärmungssysteme, die auf der Verwendung von stromführenden Metallresistoren beruhen und in entsprechenden Vertefungen der diesbezüglichen

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ORlGtHAL INSPECTED

Zonen des Bodens oder der Wände des Ofens angebracht sind, gefunden. Besagte Metallresistoren weisen jedoch einige Nachteile auf infolge der mechanischen Starrheit - wodurch sie nicht geeignet sind, den bemerkenswerten Beanspruchungen, denen die Baumaterialien des Ofens in der Anfangsstufe und während des Betriebes des Ofens ausgesetzt sind, standzuhalten, wobei diese Beanspruchungen durch thermische Ausdehnung, Tränkung durch das Bad und gegebenenfalls durch elektrochemische parasitische Umsetzungen bedingt sind und der leichten Korrosion und Zerstörung der genannten Resistoren, die früher oder später als Folge des Einsickerns des Bades in die Struktur des Ofens durch während des Betriebes der Anlage entstehende Sprünge und Risse auftreten.

Weiterhin vermindert jede Vertiefung die Festigkeit der

Ausfluß Ofeninnenstruktur, wodurch die SMMMHgmöglichkeit der geschmolzenen Materialien erhöht wird. Alle genannten Nachteile können die erwähnten Metallresistoren schnell beschädigen.

ORIGINAL INSPECTED 009817/1344

Die Erfindung beseitigt die oben genannten Nachteile, indem dem Boden und/oder den Wänden eines Ofens des oben beschriebenen Typs, der Aluminium oder andere Metalle herstellt, zusätzliche Wärme durch Eeslstoren zugeführt wird, die gegenüber den elektrolytischen Bädern chemisch inert sind und praktisch zu vernachlässigende Gesamtdimensionen aufweisen und praktisch unbegrenzt flexibel sind, wodurch sie sich an die manchmal große Verformung, die die Materialien der Wände und des Bodens des Ofentopfes erfahren, anpassen. Als elektrische Resistoren, die in die Ofenstrukturen entsprechend den Zonen, in denen die zusätzliche Wärme erforderlich ist, eingefügt werden, sind erfindungsgemäß insbesondere mit feuerfestem Material plattierte Tuche, Bänder oder Pilze aus Graphitfasern vorgesehen.

Graphittuche, -bänder und -filze, die als Handelsprodukte bekannt sind, bestehen aus gewebten-oder verfilzten Fäden aus Graphit mit einer Eeinheit von 99»9 i» oder mehr, die durch Ofenbehandlung organischer Fasern, die entsprechend auegewählt und hergestellt sind, bei Temperaturen bis zu ungefähr 27OO°C erhalten worden sind.

Mit Hilf· der Graphittuche, -bänder oder -filze werden erfindungegemäß ein großes technisches Problem und bemerkenswerte technisch· Vorurteile überwunden.

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Mt Q ·■

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung, die eine Bevorzugte Ausfuhrungsform als nicht einschränkendes Beispiel darstellt, erläutert.

Figur 1 zeigt im längsschnitt einen Ofen, der schon Gegenstand einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin ist (Patentanmeldung P 19 15 141.8) und der mit der Wärmeausrüstung nach der vorliegenden Erfindung versehen ist.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt des obigen Ofens entlang der Linie A-A der Figur 1.

Unter Bezugnahme auf die obigen Figuren ist in 1 ein feuerfester Materialtopf mit doppeltem abwärts abgestuften Boden, der in der Mitte eine Vertiefung 2 aufweist, gezeigt, worin sich das flüssige Aluminium 4 sammelt, das durch die Elektrolyse von geschmolzenen Salzen 6 in Zellen 7, die durch bipolare Elektroden 5 und Endelektroden 8 und 9 gebildet werden, hergestellt ist und von den Überlaufrändern 3 fließt

Der Boden dieses Ofens weist eine besondere feuerfeste Verkleidung 10 auf. Dieses besondere feuerfeste Material kann zum Beispiel Silikonnitrid gebundenes Silikoncarbid sein. Der Boden dir Vertiefung 2 weist zwei dickere Schichten und 12 aue dem genannten besonderen feuerfesten Material auf, wobei ein dünnes Band aus fasrigem Graphit 13- ungefähr genauso weit wie die Vertiefung 2 - zwischen den ge-

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nannten dickeren Schichten liegt. Die direkte oder wechselnde Stromzufuhr ist in 14 (Figur 2) gezeigt. Der Strom fließt durch Kontakte 15 in zwei Kohlenstoffblocke 16, die ein Teil der Verläßfung 1 oder außerhalb dieser sein können und die in elektrischem Kontakt mit dem Graphitband 13 stehen, wohin sie den elektrischen Strom zur Erzeugung von Wärme leiten. Die Kohlenstoffblöcke 16 sind selbstverständlich vom Ofenkörper durch Isolierungssehichten 17 isoliert.

Innerhalb der Vertiefung 2, in der sich das Aluminium sammelt, ist somit eine ausreichende Temperatur (im Bereich von 92O⁰C bis 93O⁰C) gewährleistet, unfsowohl das Aluminium als auch die benachbarten geschmolzenen Salze in geschmolzenem und flüssigem Zustand zu halten, wobei es sich bei dieser Zone infolge der Struktur des Ofens um die am wenigsten thermisch isolierte Zone handelt, da die genannte Zone am dünnsten ist und sich am dichtesten an dem Außengehäuse des Ofens befindet: dies ist ein bedeutsamer Faktor, um die Gefahr der Verdickung oder des "Erstarrens" (das heißt Verfestigung) des Bades zu vermeiden, die folglich eine Verstopfung im Abziehsystem für das hergestellte Aluminium bewirken würden. Das Abziehsystem ist wegen der schematischen Darstellung der Zeichnung nicht veranschaulicht.

Wie schon oben erwähnt, bestehen die erfindungsgemäß zu verwendenden Wärmeresistoren, aus fasrigem Graphit in Form

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M ft —

von Tüchern, Bändern oder Pilzen, die im Handel erhältlich sind·

Die genannten Resistoren können zum Beispiel zur Veranschaulichung in nicht einschränkender Weise wie folgt spezifiziert werden :

Graphittuch von hoher Reinheit mit einem Prozentsatz an Aschen von ungefähr 0,04 #, gewebt mit 1440 Fäden Garn, wobei jeder Faden einen Durchmesser von 8 Mikron hat und das Gewicht des Tuches 2 bis 3 g/cm beträgt. Die elektrischen Merkmale sind abhängig von bekannten Parametern, das heißt von den Eigenschaften des Graphittuches und den Eigenschaften des Ofens als auch des EIektrolysebades. Die verwendete Stärke kann erläuternd jedoch nicht einschränkend ungefähr 6 kW/30 dm², das heißt 0,20 kW/dm² (3 kW/30 dm², das heißt 0,10 kW/dm² als Minimumwert und 9 kW/30 dm², das heißt 0,30 dW/dm als Maximumwert) betragen, wobei der spezifische elektrische Widerstand des Graphittuches gleich

2O⁰C ⁼ °»°°4-2-^L cm (bei 20⁰C) beträgt; die maximale Spannung
HMBflK kann 40 bis 50 V unter vorzugsweiser Verwendung

von Wechselstrom bei industrieller Frequenz erreichen.

Die Installation besteht darin, daß während der Errichtung des feuerfesten Topfes das Graphittuch, -band oder filz auf die feuerfesten Schichten (Ziegelsteine) gelegt wird und darüber sodann die andere feuerfeste Schicht angeordnet wird und die entsprechenden elektrischen Verbindungen herge-

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stellt werden· Bei einem Ofen, der mit zwei 30 cm weiten Vertiefungen versehen ist, ist es zum Beispiel angebracht, zwei Bänder 13 (eines für jede Vertiefung) zwischen den feuerfesten Schichten 11 und 12 einzufügen, die elektrisch in Reihe verbunden sind, wobei jedes Band aus drei übereinandergelagerten Graphittuchschichten besteht : dies ist ausschließlich ein Beispiel von nicht einschränkendem Charakter. Zwischen den fasrigen Graphitresistor und das daraufliegende feuerfeste Material und/oder zwischen zwei oder mehrere Schichten der feuerfesten Ziegelsteine, die zwischen dem Aluminium in der Vertiefung und dem Resistor liegen, können eine oder mehrere Schichten - von einer Dicke von einigen Millimetern - Silikonkarbid in feiner Grießqualität vorteilhafterweise eingeführt werden, um die Gefahr, daß aus der Vertiefung kommendes geschmolzenes Aluminium nach unten sickern kann, wodurch es in Berührung mit dem Resistor kommt, zu beschränken. Die Verwendung von Silikonkarbidgrieß zur Vermeidung des Ausbrechens von Aluminium ist Gegenstand der italienischen Patentschrift 790 333 der gleichen Anmelderin.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorzuziehen, eine elektrisch leitende Paste auf das Graphittueh zu streichen, hauptsächlich wenn die in Figur 2 der beigefügten Zeichnung gezeigte Aueführungsform verwendet wird, mit Kohlenetoffblocken 16 zum Tragen des Erwärmungsstromes ι in diesem Fall ist die Paste zwischen das Graphittuch und die Kohlen-

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stoffblöcke zu streichen, um den elektrischen Kontakt zu verbessern; Graphit, Pech und Teer können die chemische Grundlage für eine derartige Paste sein : nachstehend wird eine Verbindung, die für die Verwendung als besagte Paste geeignet ist, als Beispiel in nicht einschränkender Weise angegeben :

dehnbares Graphit 22 Gew.-#

gemahlenes Graphit 26 Gew.-#

4-5 KS⁰ (nach Kramer &

Sarnow) Pech 23 Gew.-#

Teer 29 Gew.-96

100 Gew.-#

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Ofen mit bipolaren Elektroden für die Herstellung von Metallen, insbesondere von Aluminium, durch die Elektrolyse von Schmelzsalzbädern, der vorzugsweise mit Vertiefungen zum Sammeln des geschmolzenen Metalls versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Wärmeresistoren aus Graphittuch, -bändern oder -filz entsprechend den "kalten" Zonen in genanntem Ofen angeordnet sind.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte elektrische Resistoren in der Ofenstruktur zwischen mindestens zwei feuerfesten Materialschichten angeordnet sind.

3. Ofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Resistoren, die zwischen feuerfesten Materialschichten angeordnet sind, unter dem Boden der genannten Sammelvertiefungen sind und eine flache Oberfläche aufweisen·

4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

Anschlüsse

ans.cniusse „, . „ _J ^ die WttetB& des Stromes zu besagten Resistoren aus Kohlenstoffblöcken besteht, die innerhalb der Wände des das Bad enthaltenden Topfes angeordnet sind, wobei

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die der Innenseite des Topfes zugewandten Blockoberflächen mit elektrisch isolierenden feuerfesten Materialien bedeckt sind.

5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitende Paste zwischen besagten Graphitresistoren und besagten Kohlenstoffblöcken eingefügt ist.

6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerannte Paste grundsätzlich aus Graphit, Pech und Teer besteht.

7. Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von Silikonkarbidgrieß zwischen besagten elektrischen Resistoren, die unter dem Boden der besagten Sammelvertiefungen angeordnet sind, und der darüberliegenden feuerfesten Materialschicht eingefügt ist.

8. Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß besagte elektrische Resistoren durch Gleichstrom gespeist werden.

9. Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß besagte elektrische Resistoren durch Wechselstrom gespeist werden.

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