DE3044676C2

DE3044676C2 - Verankerung für einen Kathodenbarren

Info

Publication number: DE3044676C2
Application number: DE19803044676
Authority: DE
Inventors: Raoul 8125 Zollikerberg Jemec
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1980-11-27
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3044676A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verankerung für einen Kathodenbarren in einer Nut eines Kohleblockes, insbesondere für eine Schmelzflußelektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei in jeder Seitenwand so dieser Nut eine sich über die ganze Länge eines Block -S erstreckende Ausnehmung zur Aufnahme eines den Raum zwischen Barren und Nut ausfüllenden Gußeisenmantels ausgebildet ist.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An diesen Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970⁰C statt.

Der Kohleboden der Elektrolysezeilen besieht aus Kathodenelementen, in welchen ein durchgehender oder ein in der Mitte getrennter Eisenbarren angeordnet ist. Um zu einer optimalen Stromausbeute der Zelle beizutragen, muß der elektrische Übergangswiderstand zwischen Eisenbarren und Kohleblock möglichst klein sein.

Die Verbindung zwischen Kohleblock und Eisenbarren kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch

— Einstampfen mit einer Stampfmasse,

— Eingießen mit Gußeisen,

— Einkleben.

Die Kohleblöcke und die Eisenbarren finden sich in herkömmlichen Elektrolysezellen in verschiedensten Dimensionen in bezug auf Breite, Höhe, Länge und Nutform.

Beim Erstellen von Bodenkohleelementen bzw. von Kathodenelementen ist heute die Technik des Eingießens weit verbreitet Die in die Nut des Kohiebiockes eingelegten Eisenbarren werden durch Umgießen mit Gußeisen mit der Kohle verbunden. Die in die Nut eingelegten Eisenbarren werden gemeinsam mit der Kohle vorgewärmt und nach dem Eingießen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Dg die Wärmedehnung bzw. -kontraktion von Eisen ungefähr viermal größer ist als diejenige von Kohle, entsteht bei der Abkühlung zwischen Kohle und Gußeisen ein Spalt. Ist das mit einem Eisenbarren versehene Kathodenelement in eine Elektrolysezelle eingebaut, so schließt sich der Spalt erst während des Temperaturaustrags bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle, womit ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen Eisen und Kohle entsteht.

Wird der durch die Kontraktion gebildete Spalt vor dem Erreichen der Arbeitstemperatur geschlossen, so kann der sich schneller ausdehnende Eisenbarren derart stark auf die Kohle der Kaihodenelemente einwirken, daß in Längsrichtung der Kathode Risse entstehen können.

Das Schließen des Spaltes, d. h. das Anpressen des Kathodenbarrens an die Kohle bei Inbetriebnahme der Zelle, hängt von verschiedenen Parametern ab, beispielsweise von der Form des Kohleblockes (Nut) und des F.isenbarrens, der Vorwärmtemperatur von Eisen und Kohle, der Vorwärmungsart. der Zusammensetzung und Eingießtempe^ratur des Gußeisens. Häufig wird in einem Kohleblock eine Nut angeordnet, die im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. In diese Nut wird ein Eisenbarren eingelagert und mit Hilfe von eingegossenem Grauguß im Kohleblock verankert. Als nachteilig hat sich jedoch bei einer derartigen Verankerung der Kathodenbarren erwiesen, daß der bei Abkühlung durch schnellere Kontraktion des Graugusses und des Barrens entstehende Spalt zwischen dem Grauguß und den Wänden der Schwalbenschwanznut des Kohleblockes genügt, um eine geringfügige Verschiebung des in die Nut eingesetzten, von Grauguß umschlossenen Eisenbarrens erfolgen zu lassen, wenn beispielsweise das Kathodenelement von der Eingieß-in die Arbeitslage gedreht und/oder der Elektrodenblock beim Transport oder beim Verstampfen der Fugen- und Bordstampfmasse erschüttert wird. Dabei verengt sich der Spalt zwischen dem Grauguß und den Wänden der Schwalbenschwanznut unzulässig, d. h. er verkeilt sich, und das Eisen sprengt beim Aufwärmen die sich

ungefähr viermal weniger ausdehnende Kohle,

Das in der Schwalbenschwanznut verkeilte Eisen kann wegen dem großen Reibungskoeffizienten zwischen Eisen und Kohle kaum mehr in die Ausgangslage zurückgebracht werden. Der Spalt zwischen der Bodenfläche der Nut und dem nach unten gerutschten Eisen bleibt und führt zu einem schlechten elektrischen Kontakt und damit zu Energieverlusten. Diese Verluste werden durch Längsrisse oder gar abgebrochene Lappen im Kohltblock verstärkt, und die Gefahr von ^|0 Beschädigungen durch eindringendes Aluminium während des Betriebs vergrößert sich sprunghaft.

In der DE-OS 24 05 461 wird eine Nutform vorgeschlagen, die bei allen diesen Vorgängen den eingegossenen Barren in Eingießiage hält und daher keine Verkeilung vorkommen läßt. In jeder Seitenwand der Nut ist mindestens eine Ausnehmung angeordnet, welche der Verankerung von mindestens einer Erhebung des den Barren umschließenden Gußeisenmantels dient. Die Rutschfähigkeit des Barrens in Längsrichtung (besonders bei längeren Blöcken) befriedigt jedoch nicht vollkommen, obwohl die Kräfte deutlich unterhalb des Rißwertes der Kohle bleiben und damit ein Ausbrechen verhindert wird.

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Verankerung für einen Kathodenbarren in einer Nut eines Kohleblockes zu schaffen, die bei und nach dem Eingießen keine Schaden erleidet, einen Übergang Eisen-Kohle mit kleinem elektrischen Spannungsabfall aufweist, wirtschaftlich herzustellen ist und in Längsrichtung eine verhältnismäßig gute Rutschfähigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Arbeitslage die Ausnehmung des oberen Bereichs der Nut in Richtung der Nutöffnung aufweitende » Schrägflächen bildet, die an deren unterem Ende in ungefähr horizontale, an der entsprechenden Seitenfläche der Nut endende Auflageflächen übergehen.

Der korrekt eingegossene Eisenbarren von rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt kann in der ·*< > Eingießlage bL nach dem Abkühlen höchstens um das Schrumpfungsmaß des Eisens absacken. Dabei entsteht im Bereich der Schrägflächen, der Auflageflächen und der vertikalen Seitenflächen der Nut ein Spalt. Beim Einbau der in Arbeitslage gedrehten Kathodenelemente, jedoch spätestens beim Einstampfen der Fugen- und Bordstampfniasse, rutscht der eingegossene Barren wieder in dieselbe Position wie bei der Eingießlage. Bei Inbetriebnahme der Elektrolysezelle werden die Kathodenelemente auf Arbeitstemperatur aufgeheizt, wobei sich sowohl der Eisenbarre;i als auch das eingegossene Eisen stärker ausdehnen als die Kohle.

Das Eisen wird durch die thermische Ausdehnung optimal in die konische Form des oberen Teiles (Arbeitsstellung) gepreßt und bewirkt einen guten elektrischen Kontakt zwischen Eisen und Kohlenstoff. Die ungefähr horizontale Auflagefläche wirkt dabei als Widerlager.

Der in Arbeitslage obere Teil der Nut ist derart ausgespart, daß bei eingegossenem Barren auch die ^M Rutschfähigkeit in Längsrichtung hinreichend ist.

Zweckmäßig verläuft die ungefähr horizontale Auflagefläche für den eingegossenen Kathodenbarren parallel zu der mit der Nut versehenen Boden- bzw. der Deckfläche des Kohleblockes. ^b5

Die Höhe der sich in Richtung der Nutöffnung ausweitenden, d. h. konischen Schrägflächen, beträgt vorzugsweise 40 bis 70% <\vr Nuttiefe. Bei zu kleiner Höhe dieser Schrägflächen kann sich die erfindungsgemäße Wirkung nicht vollständig entfalten. Bei zu großer Höhe dagegen besteht die Gefahr, daß beim Erwärmen der Zelle auf Arbeitstemperatur Risse entstehen oder sogar der unterhalb der Auflagefläche liegende Teil des Kohleblockes ausgebrochen wird. Aus diesen die Stabilität betreffenden Gründen werden die konischen Schrägflächen, vorzugsweise nach einer Abrundung, direkt an die Bodenfläche der Nut angeschlossen.

Der Abstand der ungefähr horizontalen Auflagefläche von der mit der Nut versehenen Badenfläche des Kohleblockes beträgt also mindestens 30% der Nuttiefe.

Der Neigungswinkel der Schrägflächen in bezug auf die Vertikale beträgt — sowohl in Eingieß- wie auch in Arbeitslage — bevorzugt 3 bis 15°.

Bei zu großem Winkel zwischen Schrägfläche und Vertikale würden die Kohleblöcke zu stark geschwächt, die Kontraktion des eingegossenen Eisens wäre zu groß, und der Barren könnte sich beim Eingießen infolge zu starker Aufheizung in Längsrichtun. verbiegen. Bei einem zu kleinen Winke! dagegen wäre die Auflagefläche zu klein. Der zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen Eisen und Kohlenstoff notwendige Auflagedruck könnte einen kleinen Absatz abreißen.

Die in Arbeitslage gedrehten Kathodenelemente werden in üblicher Weise zu einem Kohleboden zusammengefügt, der eingegossene Barren kann sich dabei in der Nut nicht verkeilen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die schematischen Vertikalschnitte zeigen

— Fig. 1 ein ausgekühltes Kathodenelement in Eingießlage,

— F i g. 2 ein in Arbeitslage gedrehtes kaltes Kathodenelement.

F i g. 1 zeigt einen in einen Kohleblock 10 eingegossenen Kathodenbarren 11 in Eingießiage, dar gebildete Kathodenelement ist jedoch schon ausgekühlt. Die im Kohleblock 10 ausgesparte Nut 12 hat sich weniger kontrahiert als der Kathodenbarren 11 und die ihn umgebende Gußeisenschicht 13. Zwischen den in Richtung der Nutöffnung ausweitenden, d. h. konischen Schrägflächen 14, den vertikalen Seitenflächen 15 und den Auflageflächen 16 einerseits, sowie dem Gußeisenmantel 13 andererseits bildet sich ein Spalt 17. Der eingegossene Kathodenbarren 11 ist unter die Ebene der Bodenfläche 18 abgesackt. Diese Fläche kommt, im Gegensatz zu der Deckfläche 20, in der arbeitenden Elektrolysewanne nicht in Kontakt mit dem flüssigen Metall.

Die Bodenfläche 24 der eine Tiefe t aufweisenden Nut 12 geh? in einer Abrundung 22 in die konischen Schrägflächen 14 über, welche ihrerseits eine Höhe h aufweisen. Der Neigungswinkel der Sch/ägflächen gegenüber der Vertikalen ist mit λ bezeichnet.

Beim in Fig. 2 dargestellten, in Arbeitsposition gedrehten Kathodenelement ist der Eisenbarren 11 so abgerutscht, daß die untere Seite des Gußeisens — wie vorder Kontraktion von Eisen und Kohle — im Bereich der Ebene der Bodenfläche 18 des Kohleblockes 10 liegt. Der Spalt 17 erstreckt sich nunmehr über den Bereich der vertikalen Seitenwände 15, der Schrägflächen 14, der Abrundung 22 und der Bodenfläche 24 der Nut 12. Das Gußeisen !3 liegt auf der Auflagefläche 16 und verhindert, daß sich Gußeisen und Seitenflächen der Nut verklemmen.

Beim Aufwärmen des Kathodenelementes auf Arbeitstemperatur wirkt die Auflagefläche 16 als Widerlager, das Gußeisen 13 wird derart gegen die Kohle gepreßt, daß ein guter elektrischer Übergangswiderstand entsteht.

Hierzu I Blatt Zcichmirmcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verankerung für einen Kathodenbarren in einer Nut eines Kohleblockes, insbesondere für eine Schmelzflußeleklrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei in jeder Seitenwand dieser Nut eine sich über die ganze Länge eines Blockes erstreckende Ausnehmung zur Aufnahme eines den Raum zwischen Barren und Nut ausfüllenden Gußeisenmantels ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Arbeitslage die Ausnehmung des oberen Bereichs der Nut (12) in Richtung der Nutöffnung aufweitende Schrägflächen (14) bildet, die an deren unterem Ende in ungefähr |> horizontale, an der entsprechenden Seitenfläche (15) der Nut endende Auflageflächen (16) übergehen.

2. Kathodenbarrenverankerung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageflächen (16) parallel zu Boden- bzw. Deckfläche (18, 20) des Kohleblorkes (10) verlaufen.

3. Kathodenbarrenverankerung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der konischen Schrägflächen (14) 40—70% der Nuttiefe ftf beträgt.

4. Kathodenbarrenverankerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Schrägflächen (14), vorzugsweise nach einer Abrundung (22), direkt an der Bodenfläche (24) der Nut (12) beginnen. _J0

5. Kathodenbarrenverankerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Auf'igefläche (16) von der mit der Nut versehenen Bodenfläche (18) des Kohleblockes (10) mindestens ~"-Q°k der Nultiefe (1) y, beträgt.

6. Kathodenbarrenverankerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung (α) der konischen Seitenflächen (14) in bezug auf die Vertikale zwischen 3 und 15° liegt.