DE2105247C3 - Ofen für die Schmelzflußelektrolyse von Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen für die Schmcl/.flußelektrolyse von Aluminium mit einer aus mehreren in einer im wesentlichen horizontalen Ebene angeordneten Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcken bestehenden Kathode und einer Ofenwanne aus Stahl.

Die Brauchbarkeit von Kathoden für die Schmclzflußelektrolyse von Aluminium wird neben ihren elektrischen Eigenschaften durch ihre Beständigkeit gegenüber Elektrolyt und Metallschmelze bestimmt. Die bekannten Kathoden bestehen aus einer Anzahl quaderförmiger Blöcke aus einem kohlenstoff- oder graphithaltigen Material, die in einer Ofenwanne zu einem im wesentlichen ebenen Boden zusammengesetzt werden, wobei die Fugen zwischen den Blöcken mit Kittmassen ausgestampft oder ausgegossen sind. Kohlenstoff-, Halbgraphit- und Graphitblöcke der Kathode und vor allem die Fugenmasse weisen ein zugängliches Porenvolumen von der Größenordnung 20 bis 30% auf, in das während des Ofenbetriebs Elektrolyt und Schmelze eindringen. Bestandteile des Elektrolyten und schmelzflüssiges Aluminium reagieren bei der Betriebstemperatur mit Kohlenstoff bzw. Graphit, wobei vor allem Aluminiumkarbid und Einlagerungsverbindungen gebildet werden. Die Reaktionsprodukte weisen ein größeres Volumen als die Reaktionspartner auf, so daß in der Kathode Zugspannungen entstehen, die nur teilweise von der Ofenwanne aufgenommen werden. Die mechanischen Spannungen führen schließlich zu Verwerfungen und Aufwölbungen der Kathodenoberfläche, die zur Vermeidung von Kurzschlüssen eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Anode und Kathode notwendig machen. Die Abstandserhöhung bedingt eine Vergrößerung des Spannungsabfalls, eine schlechtere Stromausbeute und schließlich müssen größere Metallmengen zur Aufrechterhaltung der Elektrolyse in der Zelle zurückgehalten werden. Die wachsende Verformung der Kathode, die zur Hebung einzelner Blöcke führen kann und durch die auch die Bildung von Rissen, vor allem in der Fugenmasse ausgelöst wird, erzwingt schließlich die Abschaltung 4er Elektrolysezelle und die Neuzustellung des Bodens.

Es wurde vorgeschlagen, die Verformung der Kathode bis zu einem gewissen Grade dadurch zu vermeiden, daß anstelle von Kohlenstoff oder Graphit ίο solche Materialien zum Aufbau der Kathode verwendet werden, die im wesentlichen gegenüber geschmolzenem Aluminium und Elektrolyt beständig sind. Z. B. ist es nach der deutschen Offenlegungsschrift 15 33 439 bekannt, die Kathode aus mehreren Schichten aufzubauen, wobei dem Bad zugewandte Schichten Hartstoffe, wie z. B. Boride, Nitride und Karbide des Aluminiums, enthalten. Derartige Kathoden, deren Ausdehnung während der Elektiolyse kleiner als ungefähr 3% sein soll, sind jedoch sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verwerfungen und Aufwölbungen der Kathode weitgehend zu vermeiden, eine ebene Kathodenoberfläche auch nach langer Belriebszeit zu gewährleisten und insbesondere die Standzeit von aus Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcken bestehenden Kathoden zu verlängern.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß Nuten zur Aufnahme von Stromschienen aufweisende Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcke in der Ofenwanne scheitgerecht angeordnet sind. Die scheitgerechte Anordnung nach der Erfindung wird dadurch erreicht, daß von den vier seitlichen Begrenzungsflächen eines Blocks mindestens zwei gegenüberliegende Flächen gegeneinander geneigt sind, d. h., der Block wenigstens einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die obere, dem Bad zugewandte Kante des Trapezes kürzer als die parallele Kante am Boden des Blocks ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Fugenbreite zwischen zwei Blöcken weniger als 1 mm.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblökken und dem Boden bzw. den seitlichen Wänden der Ofenwanne eine komprimierbare Schicht angeordnet.

Die komprimierbare Schicht nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem porösen Material.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, in der Mitte der Ofenwanne Kathodenblöcke aus Graphit und/oder Hartgraphit und am Rand

⁵⁰*der Ofenwanne Kathodenblöcke aus Kohlenstoff anzuordnen.

Durch die scheitgerechte Anordnung der Kathodenblöcke gemäß der Erfindung werden die durch thermische Dehnung und chemische Reationen bedingten mechanischen Spannungen über den Kathodenboden verteilt und von den Blöcken weitgehend aufgenommen. Es wird vollständig vermieden, daß sich einzelne Blöcke unter Bildung von Rissen in der Fugenmasse aus dem Verband lösen. Durch die schmalen Fugen nach der Erfindung wird einmal die Kraftübertragung zwischen den Blöcken verbessert und zum anderen durch Verminderung des Anteils des besonders rektionsfreudigen Fugenmaterials die Gesamtdehnung der Kathode vermindert.

^b" Die nach der Erfindung vorgesehene komprimierbare Schicht, die zwischen Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcken und der Ofenwanne angeordnet ist, läßt bis zu einem gewissen Grade eine freie Ausdehnung der

Kohlenstoffsteinschicht zu. Durch diese »schwimmende« Anordnung wird der Aufbau von mechanischen Spannungen in der monolithischen Kohlenstoffsteinschicht zu einem wesentlichen Teil verhindert. Der Effekt wird dariiberhinaus verstärkt, wenn der Boden der Ofenwanne über Dehungsfugen mit dem Ofenwannenkasten verbunden ist, wobei die Fugen vorzugsweise mit gasundurchlässigen Dichtungen versehen sind. Koprimierbare Schichten nach der Erfindung sind z. B. poröse unur Druckspannungen zerfallende feuerfeste Steine, Schüttungen aus feuerfestem Material oder plastische kohlenstoffhaltige Massen.

Durch Verwendung von Kathodenblöcken mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten, sie betragen z. B. für Kohlenstoffblöcke etwa 3 bis 15 kcal/mhgrd, für Hartgraphitblöcke 20 bis 40 kcal/mhgrd und für Graphitblöcke 60 bis 160 kcal/mhgrd, wird die Temperaiurverteilung in der Kathode vergleichsmäßigt und damit mechanische Spannungen zwischen aen Blöcken vermieden.

Die Vorteile nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß keine den Ofenbetrieb beeinträchtigende Aufwölbung des Bodens auftritt und der Spannungsabfall auch nach längerer Betriebszeit unverändert bleibt. Die kathodische Stromverteilung ist gleichmäßiger als die von bekannten Anordnungen, woraus sich eine bessere Stromausbeute ergibt. Während die Standzeit von Öfen für die Aluminiumelektrolyse mit bekannten Kathoden im Mittel etwa 1200 Tage beträgt, erreichen öfen mit Kathoden gemäß der Erfindung Standzeiten von mindestens 2500 Tagen.

Ein Ausführungsbeispic! der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Querschnitt einer Kathode für die Schmelzflußelektrolyse von Aluminium,

F i g. 2 die Anordnung von Kohlenstoff- und Graphitblöcken auf einer Stromschiene.

Boden und Wände der Ofenwanne 1 sind im Schmottesteinen 2 ausgemauert.3 ist eine aus Koks- und Graphitpulver und einem thermoplastischen Bindemittel bestehende komprimierbare Schicht auf der im Zentrum der Ofenwanne Hartgraphitblöcke 4 und in der Randzone der Ofenwanne Kohlenstoffblöcke 5 scheitgerecht angeordnet sind, wobei mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Ofenwanne der Winkel zwischen der Vertikalen und den Kontaktflüchen zwischen zwei Blöcken größer wird. Durch die sich daraus ergebende gegenseitige Verkeilung der Blöcke und die günstige Verankerung der Blockreihen mit den Randsteinen wird bei einem Fugendefekt das Wölben des Bodens und eine Hebung einzelner Blöcke verhindert. Hartgraphit- und Kohlenstoffblöcke weisen Nuten zur Aufnahme der Stromschiene 8 auf. Gegen die seitliche Begrenzung der Ofenwanne ist der Blockverband durch die ebenfalls aus Kohlenstoff bestehenden Randsteine 6 abgestützt. Der Abstand zwischen zwei Blöcken beträgt ca. 0,8 mm und die Fuge 7 ist mit einer Kohlenstoffhaltigen Kittmasse ausgefüllt.

In F i g. 2 sind Blöcke 4 und 5 auf der Stromschiene 8 reitend angeordnet. Der Spalt 9 zwischen Schiene und Blöcken ist mit einem Metall angegossen oder mit einer kohlenstoffhaltigen Masse ausgestampft. Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die

jo Blöcke zwei gegenüber der Vertikalen geneigte Flächen, die von der Stromschiene durchbrochen sind, und zwei vertikale, parallel zur Stromschiene verlaufende seitliche Begrenzungsflächen auf. Durch diese Anordnung wird insbesondere die Montage der Kathode erleichtert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Ofen für die SchmelzfluBelektrolyse von Aluminium mit einer aus mehreren in einer irr. wesentlichen horizontalen Ebene angeordneten Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcken bestehenden Kathode und einer Ofenwanne aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß Nuten zur Aufnahme von Stromschienen aufweisende Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Granhitblöcke in der Ofenwanne scheitgerecht angeordnet sind.

2.Ofen nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block wenigstens eine trapezförmige Querschnittsfläche aufweisL

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugenbreite zwischen zwei Blöcken < I mm ist

4. Ofen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenboden und -wände zwischen Ofenwanne und Kohlenstoff-, Hartgraphit- oder Graphitblöcken wenigstens eine komprimierbare Schicht aufweisen.

5. Ofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierbare Schicht aus einem porösen Material besteht.

6. Ofen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke in der Mitte der Ofenwanne aus Graphit und/oder Hartgraphit und die Randbiöcke aus Kohlenstoff bestehen.