DE3802670A1 - Verfahren zur herstellung von kunstkohlekoerpern, insbesondere von kohleanoden zur verwendung fuer die aluminium-schmelzflusselektrolyse - Google Patents
Verfahren zur herstellung von kunstkohlekoerpern, insbesondere von kohleanoden zur verwendung fuer die aluminium-schmelzflusselektrolyseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunst
kohlekörpern, insbesondere von Kohleanoden zur Verwendung für
die Aluminium-Schmelzflußelektrolyse, wobei pulverförmige Aus
gangsstoffe unter hohem Druck und hoher Temperatur im Autoklaven
isostatisch verdichtet werden (Hipen).
Kohleanoden, deren Herstellung Gegenstand der vorliegenden Er
findung ist, finden vorzugsweise bei der Verhüttung von Alumini
um Verwendung.
Für die Gewinnung des Aluminiums aus Tonerde wird die Schmelz
flußelektrolyse angewandt, wobei als Elektrolysezellen mit
feuerfestem Material ausgemauerte Stahlwannen zum Einsatz
kommen. Der Boden dieser Wannen wird als Kathode mit Kohlen
stoff ausgekleidet. Als Anode dient ebenfalls Kohlenstoff,
welcher nach dem bisherigen Stand der Technik als vorgebrannter
Block eingesetzt wird.
Mit fortschreitendem Elektrolysebetrieb brennt die Anode ab. Für
die Gewinnung von 1 t metallischem Aluminium benötigt man etwa
0,5 t Kohlenstoffanoden.
Aus diesem Grunde ist einer Aluminiumhütte üblicherweise eine
recht aufwendige Aufbereitungsanlage zur Herstellung der in
großer Menge benötigten Kohlenstoffanoden angegliedert, deren
Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor der Aluminiumver
hüttung bildet.
Die Anoden werden gewöhnlich aus Petrolkoks, einem extrem asche
armen Produkt der Petrochemie, und mit Pech als Bindemittel her
gestellt.
Der Koks wird zur Erzielung einer möglichst dichten Kornpackung
zerkleinert, gemahlen und klassiert, so daß Kornfraktionen von
sehr fein bis grob entstehen.
Aus optimierten Gewichtsanteilen von Petrolkoks und Pech wird
nach traditionellem Verfahren ein Vorprodukt erzeugt, das vor
gewärmt in einem Mischer innig vermengt wird. Die Mischtempe
ratur liegt dabei etwa im Bereich zwischen 130 und 170°C.
Diese Anodenmasse wird nach herkömmlicher Weise anschließend (z.
B. mittels eines Rüttelverdichters) in einer Form zur sogenann
ten "grünen" Anode geformt. Danach wird die Anode zunächst
abgekühlt, um eine ausreichende Festigkeit für den weiteren
Transport zu erhalten, und schließlich in einer aufwendigen
Brennofenanlage einer Wärmebehandlung unterworfen.
Im Brennprozeß wird der "grüne" Körper unter Aufrechterhaltung
seiner geometrischen Form in feste Hartbrandkohle umgewandelt.
Dieses geschieht, indem die einzelnen Kokspartikeln durch Ver
crakung und Verkokung des Bindemittels und unter Entwicklung
gesundheitsgefährdender Gase zu einer festen Masse verbunden
werden.
Die infolge der Pyrolyse des Bindepechs entstehenden giftigen
Gase und Dämpfe, welche etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent des
Anodenkörpers betragen können, sollen, soweit sie nicht zu Koks
vercrackt werden, durch die Poren des Stützmediums in die Ofen
atmosphäre entweichen. Um diesen Entgasungsprozeß ohne Beein
trächtigung der Anodenqualität bis in den oberen Bereich der
Brenntemperatur (maximal ca. 1300°C) zu führen, muß die Anode
äußerst langsam und schonend aufgeheizt werden.
Beim Erhitzen über den Erweichungspunkt des Bindemittels ver
liert der "grüne" Formkörper vorübergehend seine Festigkeit. Er
muß deshalb während des Brennprozesses zusätzlich durch ein
poröses, feuerfestes Medium gehalten werden.
Nach derzeitigem Stand der Technik dauert ein Brennzyklus mit
Aufheizen, Halten der Brenntemperatur und Abkühlung ca. 21 Tage.
Infolgedessen sind die Kapital- und Betriebskosten des diskonti
nuierlich durchgeführten Brennprozesses extrem hoch.
Der hier vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zu schaffen, welches frei von den genannten Nachteilen
ist und bei optimaler Anodenqualität insbesondere eine signifi
kante Verkürzung des Herstellungsprozesses und damit eine
bedeutende Verbesserung der Wirtschaftlichkeit zum Ziele hat.
Diese Aufgabe konnte durch die Nutzung der heiß-isostatischen
Preßtechnik bei der Anodenherstellung erfolgreich gelöst werden.
Das Verfahren läßt sich durch folgende typische Arbeitsschritte
charakterisieren:
- 1. Mischen/Homogenisieren eines Kohlenstoffträgers mit oder ohne Bindemittel,
- 2. Füllung einer Kapsel mit dem Ausgangsgemisch,
- 3. Entgasung von (2) und Verschluß der Kapsel,
- 4. Einbringen der Kapsel in Autoklav,
- 5. Verschluß des Autoklaven und Einstellung des Druck-/ Temperaturprogrammes,
- 6. Beendigung des Druck-/Temperaturprogrammes,
- 7. Ausbringen der Kapsel zur Kühlung bzw. Abkühlung der Kapsel im Autoklaven,
- 8. Fertigstellung der Anode, eventuell teilweise oder vollstän dige Entfernung der Kapsel.
Die vorliegende Erfindung beruht im wesentlichen auf folgenden
Vorteilen gegenüber herkömmlichen Verfahren:
- - Freie Wahl des Kohlenstoffträgers unter Berücksichtigung der technologischen Anforderungen.
- - Keine aufwendigen Vorarbeiten bei der Herstellung des Aus gangsgemisches, einfache Mischoperation. Der aufgemahlene Kohlenstoffträger kann sowohl mit als auch ohne Bindemittel eingesetzt werden.
- - Verwendung/Wiederverwendung von kostengünstigen Ausgangs stoffen (z. B. Aluminiumschrott, Graphitabfälle).
- - Keine Arbeitsplatz- bzw. Umweltbelastungen durch Teerdämpfe und Crackgase während der Anodenherstellung bzw. der Al-Elek trolyse.
- - Kurze Prozeßzyklen.
- - Energiesparende Prozeßführung durch Kopplung mehrerer Autoklaven.
- - Geringerer Platzbedarf.
- - Höhere Wirtschaftlichkeit bei hohen Durchsätzen.
- - Geringere Investitionen.
- - Erfüllung hoher Reinheitsbedingungen.
Im einzelnen können Kohleanoden für die Aluminium-Schmelzfluß
elektrolyse wie folgt hergestellt werden:
Petrolkoks wird zu der gewünschten Korngrößenverteilung aufge
mahlen bzw. nach der Aufmahlung werden die gewünschten Kornfrak
tionen abgesiebt. Der Kohlenstoffträger kann nun direkt oder
nach dem Vermischen mit einem Bindemittel in eine für den HIP-
Prozeß übliche Druckkapsel, die die Form der endgültigen Anode
aufweist, gefüllt werden. Als Bindemittel haben sich u. a. Alumi
niumpulver und Al-Verbindungen als besonders geeignet erwiesen,
welche in Zugabekonzentrationen um ca. 10 Gew.-% ein hochwerti
ges Anodenmaterial liefern. Im allgemeinen sollte bei der Wahl
des Bindemittels von solchen Komponenten ausgegangen werden, die
die spätere Elektrolyse nicht nachteilig beeinflussen (z. B.
hohe Reinheit, keine Entwicklung gesundheitsschädlicher Gase)
und kostengünstig bereitgestellt werden können.
Die mit dem Ausgangsprodukt gefüllte Kapsel, die vorzugsweise
aus Aluminium besteht, wird entgast (p ≦ 10-4 mbar/T ca. 300-400°C),
im Vakuum verschlossen und dem traditionellen HIP-
Prozeß zugeführt. Das Ausgangsprodukt kann bereits vorab sowohl
außerhalb als auch in einem Autoklaven kalt-isostatisch vor
verdichtet werden.
Aus der Fülle der derzeitig möglichen HIP-Parameter für die
Anodenherstellung (Temperatur bis 1350°C/Druck bis 2000 bar/
Haltezeiten bis 5 h/Zykluszeiten bis 8 h) werden je nach
gewünschter Zusammensetzung des Ausgangsproduktes die geeigneten
Parameter ausgewählt.
So kann z. B. ein Gemisch aus Petrolkoks und 10 Gew.-% Al-Pulver
bei 1000 bar und bei Temperaturen von 520-580°C zu einem
hochwertigen Anodenmaterial heiß-isostatisch verdichtet werden.
Nach Beendigung des HIP-Zyklus wird die Kapsel abgekühlt, die
sowohl auf der Anode verbleiben oder ganz bzw. teilweise auf
einer Drehbank abgedreht werden kann. Wenn die Kapsel, die in
diesem Fall aus Aluminium bestehen muß, auf der Anode bleibt,
schützt sie während der Elektrolyse die Anodenoberfläche vor
Abbrand. Das bietet den zusätzlichen Vorteil, daß auf das heute
zu diesem Zweck übliche Beschichten der gebrannten Anoden mit
einer Aluminiumschicht verzichtet werden kann.
Die so erhaltene Anode kann direkt der Aluminium-Schmelzfluß
elektrolyse zugeführt werden.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung von Kunstkohlekörpern, wobei sowohl
pulverförmige als auch pastöse Ausgangsstoffe zu Festkörpern
gewünschter Dimensionen geformt und verdichtet werden, gekenn
zeichnet dadurch, daß die Formgebung und Verdichtung mittels
heiß-isostatischer Pressen bei hohen Temperaturen (sogenanntes
HIPen) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kunstkohlekörper als Elektrodenmaterial genutzt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kunstkohlekörper als Anoden für die Aluminium-
Schmelzflußelektrolyse benutzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sowohl mit als auch ohne Bindemittel gearbeitet
werden kann.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Kohlenstoffträger mit einem Bindemittel ver
mischt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Kohlenstoffträger Petrolkoks verwendet werden
kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Bindemittel Metalle, Metall-Oxide, -Hydroxide,
-Hydrate, -Fluoride oder/und metallorganische Verbindungen zum
Einsatz kommen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Bindemittel metallisches Aluminium oder Alumi
niumverbindungen eingesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß Metalle als Kapselmaterialien verwendet werden,
die sowohl auf der Anodenoberfläche verbleiben als auch ganz oder
teilweise abgedreht werden können.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß Aluminium als Kapselmaterial verwendet werden kann.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kapselinnenflächen einer besonderen Oberflä
chenbehandlung/-beschichtung unterzogen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gemisch aus Kohlenstoffträger und Bindemittel
vor dem HIPen entgast wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Temperaturgradient nach Maßgabe der Höhe der
Aufheiztemperaturen veränderlich eingestellt werden kann.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Phase des Aufheizens mit einem anderen Tempe
raturgradienten erfolgt als die Abkühlphase.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Phase des Haltens der Endtemperatur unter
schiedlich lang ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abkühlung mit abnehmender Temperatur der Anode
intensiviert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Abkühlung ein gasförmiges Wärmeträgermedi
um verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Abkühlung ein flüssiger Wärmeträger einge
setzt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Druckgradient nach Maßgabe des Enddruckes
variabel ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Phase des Druckhaltens unterschiedlich lang
sein kann.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Haltephasen des Druckes und der Temperatur
zeitlich nicht identisch sein müssen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Autoklaven im Verbund geschaltet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883802670 DE3802670A1 (de) | 1988-01-29 | 1988-01-29 | Verfahren zur herstellung von kunstkohlekoerpern, insbesondere von kohleanoden zur verwendung fuer die aluminium-schmelzflusselektrolyse |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19883802670 DE3802670A1 (de) | 1988-01-29 | 1988-01-29 | Verfahren zur herstellung von kunstkohlekoerpern, insbesondere von kohleanoden zur verwendung fuer die aluminium-schmelzflusselektrolyse |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3802670A1 true DE3802670A1 (de) | 1989-08-10 |
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ID=6346256
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883802670 Withdrawn DE3802670A1 (de) | 1988-01-29 | 1988-01-29 | Verfahren zur herstellung von kunstkohlekoerpern, insbesondere von kohleanoden zur verwendung fuer die aluminium-schmelzflusselektrolyse |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3802670A1 (de) |
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