DE2509550B2

DE2509550B2 - Zur Verwendung als Nahtgemisch zwischen Kohlenstoffblöcken geeignetes Gemisch

Info

Publication number: DE2509550B2
Application number: DE2509550A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Pittsburgh Pa. Dell (V.St.A.)
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1975-03-03
Publication date: 1980-02-14
Also published as: CH603822A5; FR2264107A1; HU172750B; NO750562L; AU7842675A; DE2509550C3; RO67674A; JPS5615470B2; FR2264107B1; SE404037B; US4167419A; CA1055687A; NO144392B; SU995704A3; GB1466053A; DE2509550A1; PL106979B1; NO144392C; BR7501322A; JPS50123015A

Description

Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung als Nahtgemisch zwischen Kohlenstoffblöcken geeignetes Gemisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus Beljajew, Al.: Metallurgie des Aluminiums, Bd. 1, Berlin 1956, S. 195 bis 197, bekanntgeworden ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Nahtgemisch, das zur Bildung flüssigkeitsdichter, elektrisch leitender Nähte zwischen Kohleblöcken in dem Boden einer Hall-Heroult-Zelle zur Herstellung von Aluminiummetall durch Elektrolyse von AI2O3 geeignet ist.

In der US-Patentschrift 23 78 142, betreffend ein »Verfahren zur Herstellung von öfen für die elektrolytische Herstellung von Aluminium«, und in der US-Patentschrift 35 76 700, betreffend eine hochfeste verbundene poröse Blcckstrukhjr und ein Verfahren zur Herstellung derselben, werden Materialien zur Verwendung als Nahtgemische bei der Errichtung von Hall-Heroult-Zellen angegeben. Diese N£hte werden in der US-Patentschrift 23 78 142 als »Zwischenräume« bezeichnet

Es ist bekannt, beim Einsatz von Nahtgemischen bei der Errichtung von Hall-Heroult-Zellen vorgebrannte Kathodenblöcke aus Kohle in einem Zellenboden anzuordnen, die durch Nähte bzw. Spalte mit einer Breite von 24 bis 7,6 cm voneinander getrennt sind. Zur Erzielung bester Eigenschaften, z. B. einer hohen Dichte, in der Naht war es bisher üblich, die Kohleblöcke auf 60 bis 130° C vorzuerwärmen und dann das warme Nahtgemisch mit z.B. einer Temperatur von 130⁰C

is nach und nach in die Nähte und zwischen die Seitenauskleidung der Zelle und die Blöcke zu stampfen, um so einen gleichmäßigen Zellenboden zu erhalten.

Diese Arbeitsweise ist aus einer Reihe von Gründen nachteilig. Aus dem erwärmten Gemisch entweichen Dämpfe. Eine erhebliche Arbeitskraft und Koordination sind erforderlich, um das heiße Nahtgemisch zwischen die erwärmten Blöcke zu bringen, bevor das Gemisch die Möglichkeit hat sich abzukühlen. Die erhöhte Temperatur stellt eine Beeinträchtigung der Arbeiter > dar, die diese Arbeit durchführen. Außerdem sind für das Vorerwärmen von sowohl den Blöcken als auch dem Nahtgemisch erhebliche Anlage- und Betriebskosten erforderlich.

Im Hinblick auf die Probleme, die mit Nahtgemischen

jo verbunden sind, weiche bei erhöhten Temperaturen aufgetragen werden müssen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gemisch vorzugschlagen, das ohne Anwendung von Wärme aufgetragen werden kann, so daß die Temperatur des Gemischs während des

J5 Auftragens einfach der Temperatur des Raumes entsprechen kann, in dem die Zelle, in der das Aluminium produziert wird, oder eine andere Vorrichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Siedepunkt bzw. -bereich des Lösungsmittels in dem Bereich von 200 bis 300° C.
Der hier benutzte Ausdruck »Bindemittel« erfaßt aus Steinkohlenteer gewonnenes Pech und ähnliche Produkte, die aus Petroleum erhalten werden. Der Ausdruck »gesättigte Seitenketten« ist so zu verstehen, daß er (1) nicht nur die Gruppen erfaßt, die üblicherweise unter diesen Ausdruck fallen, wie z. B.

Methyl- und Äthylgruppen, sondern auch (2) das Wasserstoffatom allein erfaßt

Das Lösungsmittel kann Verunreinigungen enthalten, wie z. B. solche, die auftreten, wenn es durch Steinkohlenteerdesi illation gewonnen wird, und zu solchen Verunreinigungen gehören Schwefelverbindungen, wie z. B. Thiophen, Sauerstoffverbindungen, wie z. B. Phenole, und Stickstoffverbindungen, wie z. B. Pyridin und Aminobenzol.
Die Erfindung basiert auf der Feststellung, daß ein

bo sehr brauchbares Nahtgemisch, das bei Raumtemperatur aufgetragen werden kann, erhalten werden kann, wenn ein Nahtgemisch, das gut geeignet ist, wenn es heiß aufgetragen wird, so modifiziert wird, daß es eine Menge rohes Methylnaphthalinlösungsmittel enthält, die ausreicht, das Gemisch bei Raumtemperatur auftragbar zu machen. Der hier benutzte Ausdruck »rohes Methylnaphthalinlösungsmittel« bedeutet, falls es nicht anders angegeben ist, ein Lösungsmittel mit im

wesentlichen der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%

12% ±5% Naphthalin

55% ±5% alpha- und beta-Methylnaphthalin

33% ±5% Dimethylnaphthalin,

wobei die Summe der Prozente von Naphthalin, alpha- und beta-Methylnaphthalin und Dimethylnaphthalin im wesentlichen 100% ausmachen. Ein solches rohes Methylnaphthalinlösungsmittel kann natürlich durch Vermischen abgemessener Mengen der betreffenden chemischen Bestandteile hergestellt werden, doch stellt eine billigere Quelle für dieses Lösungsmittel eine Destillatfraktion von dem chemischen öl dar, das von Koksofenteer herstammt Hierzu wird z. B. hingewiesen auf das Kapitel 5 mit der Bezeichnung »Recovery of Coal Chemicals« in »The Making, Shaping and Treating of Steel«, herausgegeben von United Steel Corporation, 7. Auflage (1957), oder das Kapitel 12 mit der Bezeichcnung »Coal Tar« in »Coal, Coke and Coal Chemicals« von Philip J. Wilson, Jr. u. a, herausgegeben von McGraw-Hill Book Company, Ine, erste Auflage (1950).

Zur Herstellung des Gemischs der Erfindung werden die Bestandteile eines herkömmlichen für ein heißes Auftragen geeigneten Gemischs zunächst zusammengebracht Diese Bestandteile bestehen im wesentlichen aus Kohlezuschlag als ein Teil und Bindemittel als der andere Teil. Das Bindemittel ist im allgemeinen Koksofenpech, kann aber auch Petroleumbindemittel sein.

Die nächste Stufe besteht darin, daß das Bindemittel und das rohe Methylnaphthalinlösungsmittel miteinander vermischt werden. Das Gemisch von Bindemittel und Lösungsmittel werden dann in einen nicht erwärmten Mischer gegossen, in dem schon der Kohlezuschlag bewegt wird. Das Mischen wird durchgeführt, bis ein gleichmäßiger Überzug auf dem Kohlezuschlag mit dem Bindemittel-Lösungsmittel-Gemisch erhalten wird.

Die Bindemittelkomponente, die in herkömmlichen für ein heißes Auftragen geeignete Nahtgemische enthalten ist, ist z. B. der Rückstand (das sogenannte »Pech«) bei der Steinkohlendestillation. Die Technologie dieser Destillation wird in den oben genannten Kapiteln in »The Making, Shaping and Treating of Steel« und in »Coal, Coke and Coal Chemicals« erörtert. Peche werden durch ihren »Erweichungspunkt« gekennzeichnet, und dieser Parameter wird nach der in ASTM D-2319 mit der Bezeichnung »Softening Point of Pitches« beschriebenen »Würfel-in-Luft«-Methode bestimmt

Der Kohlezuschlag ist beispielsweise Anthrazit, der kalziniert worden ist, um die darin enthaltenen flüchtigen Bestandteile abzutreiben.

Eine bevorzugte Zusammensetzung des Gemischs nach der Erfindung ist im wesentlichen wie folgt:

(1) 7 bis 17Gew.-% Bindemittel mit einem Erweichungspunkt von 48 bis 54° C und Kohlezuschlag in einer Menge von 100 Gew.-% minus den Gewichts- ^b0 Prozenten des Bindemittels und

(2) rohes Methylnaphthalinlösungsmittel in einer Menge von 8 bis 16%, vorzugsweise von 10 bis 14%, bezogen auf das Gewicht des Bindemittels.

Die Verhältnisse in diesem Gemisch mit dieser bevorzugten Zusammensetzung können auch mathematisch wie folgt ausgedrückt werden: Wenn X das Bindemittelgewicht ist und Y das Zuschlagsgewicht ist kann die Menge

X + Y

100

zwischen 7 und 17% liegen, während die Prozente von dem Zuschlag in dem Bereich von

100

0 -

liegen können und die Lösungsmittelmenge in dem Bereich von 8 bis 16% von A'liegt

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert:

Baispiel 1

Ein Gemisch nach der Erfindung wurde benutzt, um ein »Wannenloch« in einer Hall-Heroult-ZeUe zu reparieren, die ihre Gebrauchslebensdauer erreicht zu haben schien, so daß ein erneutes Ausfüttern bald erforderlich erschien. Das Wannenloch war ein Loch zwischen Kathodenblöcken, in dem die ursprüngliche Naht durch Erosion entfernt worden war, so daß Metall aus der Zelle austrat Die Zelle wurde von dem flüssigen Inhalt befreit und konnte sich dann abkühlen. Das Metall, das sich in dem Wannenloch verfestigt hatte, wurde ausgehoben. Die ausgehobene Stelle wurde mit dem Nahtgemisch der Erfindung gefüllt Das spezielle Nahtgemisch enthielt 88Gew.-% Zuschlag und 12Gew.-% Pech mit einem Erweichungspunkt von etwa 5O⁰C. Das Pech war durch Vermischen von 13,5Gew.-% Pech mit einem Erweichungspunkt von HO⁰C und 86,5Gew.-% Pech mit einem Erweichungspunkt von 40° C zubereitet worden. Der Zuschlag war kalzinierter Anthrazit und hatte die in der Tabelle 1 angegebene Teilchengrößenverteilung.

Tabelle I

Teilchengrößenverteilung von
kalzinierten Anthrazitteilchen

Teilchengröße	Gew.-%
(mm)
>9,42	2,7
9,42-4,7	10,7
4,7 -2,36	13,4
2,36-1,17	10,2
1,17-0,59	12,6
0,59-0,3	15,8
0,3 -0,15	11,9
0,15-0,07	10,6
Restsiebdurchlauf	12,2

Das Pech wurde auf 75° C erwärmt, und dann wurde eine Menge von rohem Methylnaphthalinlösungsmittel, die 10Gew.-% des Pechs entsprach, in das Pech eingerührt. Das speziell benutzte rohe Methylnaphthalinlösungsmittel hatte eine typische Zusammensetzung von 12Gew.-% Naphthalin, 55Gew.-% alpha- und beta-Methylnaphthalin und 33 Gew.-% Dimethylnaphthalin. Weitere Eigenschaften dieses Produkts werden in der Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Weitere Parameter des typischen Lösungsmittels

Parameter

Werte

Destillation: 5-%-Punkt
Destillation: 95-%-Punkt

Spezifisches Gewicht bei 15,5/

15,5X¹

Teersäuren

Teerbasen

Wasser

Flammpunkt, verschlossene
Schale nach Cleveland

nicht unter 232 C nicht unter 255 X? 1,010 bis 1,030

maximal 2,0%
maximal 2,0%
maximal 0,5%
96⁰C

Der Zuschlag wurde in einen Minher eingetragen, der Mischer wurde in Betrieb gesetzt, und unter Bewegung der Flügel des Mischers wurde das Lösungsmittel-Pech-Gemisch zugegeben. Das Mischen wurde fortgesetzt, bis der Zuschlag sich in dem Pech-Lösungsmittel-Gemisch gleichmäßig verteilt zu haben schien. Das erhaltene Gemisch wurde zu der zu reparierenden Stelle der Hall-Heroult-Zelle gebracht. Vor dem Einstampfen des Gemischs in das Wannenloch wurden die Seiten des Wannenlochs mit einem Vorüberzug aus erwärmtem Pech, das einen Erweichungspunkt von 130⁰C hatte, versehen. Das Nahtgemisch wurde in aufeinanderfolgenden Schichten in das entleerte Wannenloch eingetragen, wobei zunächst eine in einem Gestell befestigte Stampfe und dann zum Aufbringen der obersten Schicht eine von Hand geführte Stampfe benutzt wurden. Mit dem in das Wannenloch gut eingestampften Gemisch wurde die Zelle für 8V₂ Stunden unter Anwendung eines mit zwei Brennern ausgestatteten Flammenerhitzers vorerwärmt Am Ende dieser Zeitspanne betrug die Temperatur des Gemischs 125° C, die nach etwa 4 bis 5 Stunden innerhalb der Vorerwärmungszeitspanne erreicht worden war. Etwa 9 Stunden nach Beendigung des Vorerwärmens wurde mit der Inbetriebnahme der Zelle für die Elektrolyse von Al₂O₃ begonnen, und die Elektrolyse wurde etwa 30 Tage von Beginn der Inbetriebnahme an versuchsweise durchgeführt. Die Untersuchung ergab, daß die reparierte Stelle noch in gutem Zustand war. Die Zelle wurde mindestens 10 Monate lang betrieben und zeigte keinen hohen Eisengehalt in dem erhaltenen Aluminiummetall. Das Auftreten eines hohen Eisengehalts würde ein Anzeigen dafür sein, daß die reparierte Stelle leck geworden ist.

Beispiel 2

In einem Mischer wurde bei Raumtemperatur unter Verwendung von 13 Gew.-% Pech mit einem Erweichungspunkt von 52° C und 87 Gew.-% Zuschlag sowie des rohen MethylnaphthalinJösungsmittels des Beispiels 1 in einer Menge von 12 Gew.-% des Pechs ein Gemisch hergestellt Dieses Gemisch wurde als Nahtgemisch bei der Errichtung einer neuen Zelie für die Aluminiumproduktion verwendet Auf den Kohleblöcken wurde kein Vorüberzug angebracht Die Kohleblöcke hatten Raumtemperatur, und das Gemisch wurde ebenfalls bei Raumtemperatur eingestampft Die Raumtemperatur betrug 25° C. Während das in dem Beispiel 1 beschriebene einfache Vorerwärmen für die dortige spezielle Zelle ausreichte, weil sie schon längere Zeit in Betrieb gewesen war, wurden in diesem Fall einer neuen Zelle die Kohleblöcke und das zwischen diese gestampfte Nahtgemisch langsam in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre mehrere Stunden bis auf eine Temperatur von 900 bis 1000⁰C erwärmt

Obwohl in den obigen Beispielen Lösungsmittel in einer Menge von 10 bis 12 Gew.-% des Pechs benutzt wurden, ergaben Brenn-Schrumpf-Teste, daß ein Lösungsmittelgehalt von 8 bis 16% von dem Gewicht des Pechs mit Erfolg zu bei Raumtemperatur auftragbaren Nahtgemischen gemäß der Erfindung führt.

Die Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß sie die Verwendung von Pechen mit höherem Erweichungs-

jo punkt ermöglicht, als sie früher im allgemeinen in Nahtgemischen verwendet wurden, weil nun das Einstampfen bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Ein erhöhter Erweichungspunkt und ein damit verbundener höherer Verkohlungswert sind Merkmale

j5 überlegener Kohlekörper.

Außer der Eignung als Nahtgemisch ist das Gemisch der Erfindung in allgemeinerer Hinsicht als an der Außenseite auftragbares Gemisch, d.h. als Gemisch zum Einfüllen um die Reihe von Kohleblöcken herum in einer Zelle zur Herstellung von Aluminium, sowie als Gemisch zur Bildung eines blockartigen Bodens einer Zelle für die Aluminiumherstellung, und zwar in dem Fall, daß keine Kohleblöcke benutzt werden, geeignet. Das Gemisch der Erfindung kann sowohl für die Errichtung neuer Zellen als auch zum Reparieren alter Zellen benutzt werden. Außerdem ist die Anwendung des Gemischs nicht nur auf eine Anwendung in der Aluminiumindustrie beschränkt; zum Beispiel kann es in allgemeiner Hinsicht auf irgendeinem Anwendungsgebiet benutzt werden, auf dem es erforderlich ist, kohlehaltige Nähte hoher Dichte zwischen Kohleblökken in einer Struktur zu bilden.

Claims

Patentansprüche:

1. Zur Verwendung ois Nahtgemisch zwischen den Kohlenstoffblöcken der Bodenwanne einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium geeignetes Gemisch im wesentlichen aus Kohlezuschlag und Bindemittel, mit genügender Verarbeitbarkeit zur Bildung flüssigkeitsdichter und elektrisch leitender Nähe, gekennzeichnet durch die Gegenwart von Lösungsmitteln mit Siedepunkten bzw. -bereichen in dem Bereich von 150 bis 350⁰C, die mindestens einen aromatischen Kohlenwasserstoff mit gesättigten Seitenketten, oder Wasserstoff anstelle der gesättigten Seitenketten enthalten, wobei die Lösungsmittel in einer Menge vorhanden sind, die ausreicht, das Gemisch ohne Anwendung von Wärme stampfbar zu machen.

2. Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel einen Siedepunkt bzw. -bereich in dem Bereich von 200 bis 300⁰C hat

3. Gemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel rohes Methylnaphthalinlösungsmittel ist

4. Gemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus

(1) 7 bis 17 Gew.-% Bindemittel mit einem Erweichungspunkt von 48 bis 54° C und Kohlezuschlag in einer Menge von 100 Gew.-% minus den Gewichtsprozenten des Bindemittels und

(2) rohem Methylnaphthalinlösungsmittel in einer Menge von 8 bis 16%, bezogen auf das Gewicht des Bindemittels,

besteht.

5. Gemisch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel in einer N'enge von 10 bis 14%, bezogen auf das Gewicht des Bindemittels, vorhanden ist.

6. Verfahren zur Anwendung eines Gemischs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ohne Erwärmen in die Nahtstellen zwischen Kohleblöcken einer Elektrolysenzelle gestampft wird.