DE3838828A1 - Kohleelektrode mit gasdichter, temperaturbestaendiger schutzglocke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohleelektrode für Schmelzflußraffinationselektrolysen, die von einer selbst­ tragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke umgeben ist.

Bei Schmelzflußraffinationselektrolysen, wie z.B. der Drei­ schichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium, werden als Kathoden üblicherweise Kohleelektroden eingesetzt. Diese Elektroden tauchen unmittelbar in das schmelzflüssige Kathodenmetall ein. Durch die hohe Temperatur der Elektroden und den ungehinderten Zutritt von Luftsauerstoff brennt der Kohlenstoff dicht über der Schmelzoberfläche sehr stark ab. Der Elektrodenquerschnitt kann dabei so stark vermindert werden, daß der untere Teil der Elektrode abbricht. Dies führt insgesamt zu einem erheblichen Kohlenstoffverbrauch von etwa 8%, bezogen auf die erzeugte Metallmenge. Um diesen hohen Kohlenstoff­ verbrauch herabzusetzen muß der Zutritt von Luftsauerstoff unterbunden werden. Dazu wurden bisher mehrere Methoden vorge­ schlagen.

Durch Imprägnieren der Kohleelektroden, z.B. mit Borax oder Phosphaten, kann der Kohlenstoffverbrauch auf etwa 4% herab­ gesetzt werden. In diesem Fall wird jedoch das Kathodenmetall durch das Imprägniermittel verunreinigt.

Beschichten bzw. Umgießen der Kohleelektroden mit bereits raffi­ niertem Aluminium bietet keinen ausreichenden Schutz gegen Sauerstoff. Das Aluminium kann bei den gegebenen Temperaturen von der Elektrodenoberfläche abschmelzen, so daß der Kohlenstoff unter der Schutzschicht abbrennt.

Als weitere Möglichkeit wurde vorgeschlagen, die Kohleelektroden unmittelbar mit einer mehrere mm dicken Keramikschicht zu ver­ sehen, z.B. durch Plasmaspritzen. Die unterschiedliche Wärmedeh­ nung von Kohle und Keramik führt jedoch unter Wärmebelastung zur Zerstörung der Keramikschicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kohlen­ stoffelektrode effizient und dauerhaft gegen Sauerstoffzutritt zu schützen, so daß der Kohlenstoffabbrand auf Werte von etwa 1% abgesenkt wird. Dabei sollen keine Verunreinigungen in das Kathodenmetall eingetragen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kohleelek­ trode mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Grundgedanke der Erfindung ist es, die Kohleelektrode mit einer selbsttragenden Schutzglocke aus einem möglichst gasdichten, temperaturbeständigen Material zu umgeben. Dabei wird unter "selbsttragend" eine Schutzglocke verstanden, die im Abstand von der Elektrode ggf. auch über eine abstützende Vorrichtung gehalten wird. Elektrode und Schutzglocke tauchen gemeinsam in das Kathodenmetall ein, so daß die Elektrode vollständig von der Umgebungsluft isoliert ist.

Die Schutzglocke muß selbsttragend ausgeführt sein und darf nicht dicht auf der Elektrode aufliegen, da die Schutzglocke sonst durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Kohle und Keramik zerstört würde. Der Abstand zwischen Außenfläche der Elektrode und Innenfläche der Schutzglocke sollte mindestens 1 mm betragen. Unterhalb dieses Wertes besteht die Gefahr, daß durch Kapillarwirkung Metallschmelze im Zwischenraum aufsteigt und in kälteren Bereichen erstarrt. Dies kann zur Zerstörung der Schutzglocke führen bzw. die Wiederverwendbarkeit der Glocke einschränken.

Als geeignetes Material für die Schutzglocke hat sich eine Al₂O₃- Keramik mit einem Al₂O₃-Gehalt von 99,7 Gew.-% und einer Ge­ samtporosität 5% erwiesen. Dieses Material ist ausreichend dicht, um den Zutritt von Luftsauerstoff zu verhindern. Die hohe Reinheit gewährleistet, daß keine Verunreinigungen in das Katho­ denmetall eingebracht werden. Für eine gute mechanische Stabili­ tät zur Montage und Handhabung der Schutzglocke ist eine Mindest­ wandstärke von 5 mm erforderlich.

Die Schutzglocke muß trotz der vergleichsweise hohen Thermo­ schockbeständigkeit vor dem Eintauchen in die Schmelze vorgeheizt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Koh­ leelektrode erlaubt in einer bevorzugten Ausführungsform ein wirt­ schaftliches Vorheizen unmittelbar im Elektrolyseofen. In diesem Fall umgibt die Schutzglocke nicht die gesamte Mantelfläche der Kohleelektrode, sondern endet in einem bestimmten Abstand von der in die Schmelze eintauchenden Seite der Elektrode. Dieser Abstand beträgt mindestens 10 mm. Die gesamte Elektrode wird in den Elektrolyseofen eingebracht und zunächst oberhalb der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden vorgewärmt. Danach wird der untere Teil der Kohleelektrode in die Schmelze eingetaucht, wobei die Schutzglocke noch keinen direkten Kontakt mit der Schmelze hat. In dieser Position wird die Elektrode über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden weiter aufgeheizt. Anschließend wird die Elektrode soweit abgesenkt, bis auch die Schutzglocke in die Schmelze eintaucht. Der maximale Abstand zwischen Unterkante der Elektrode und Unterkante der Glocke wird begrenzt durch die Schichthöhe des flüssigen Kathodenmetalls. Der Abstand sollte einen Wert von 30 mm nicht wesentlich überschreiten.

Die erfindungsgemäße Kohleelektrode wird bevorzugt in zylin­ drischer Form ausgeführt. Sie kann vorteilhaft als Kathode in Schmelzflußraffinationselektrolyseverfahren eingesetzt werden. Dabei eignet sie sich insbesondere als Kathode für die Drei­ schichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium. In diesem Fall kann der Kohlenstoffverbrauch auf ca. 1%, bezogen auf die erzeug­ te Metallmenge, herabgesetzt werden. Weitere Vorteile der Erfindung sind lange Lebensdauer und Wiederverwendbarkeit der Schutzglocke sowie die Vermeidung der Verunreinigung des Kathodenmetalls.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher erläutert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße, einsatzfertig montierte Kohleelektrode mit keramischer Schutzglocke. Die Kohleelek­ trode 1 ist zylindrisch ausgebildet. Auf der stromzuführenden Seite ist ein Kupfernippel 7 mittels einer Graphitstampf­ masse 8 in die Elektrode 1 eingestampft. Die Schutzglocke 2 besteht aus einer Al₂O₃-Keramik mit einem Al₂O₃-Gehalt von 99,7 Gew.-% und einer Gesamtporosität 5%. Sie ist rohrförmig ausgebildet und konzentrisch um die Kohleelektrode 1 angeordnet. Die Schutzglocke 2 weist an einem Ende einen radial nach innen ragenden, umlaufenden Kragen 9 auf. Die Befestigung der Schutz­ glocke 2 erfolgt durch Verschraubung des Kragens 9 und des Kupfernippels 7 mittels einer Mutter 10. Die Verschraubung ist über Druckscheiben 11, 12 mit temperaturbeständigen Dicht­ ringen 13, 14, 15 und Dichtmassen 16 abgedichtet. Der Abstand zwischen dem Elektrodenmantel 3 und der Innenfläche 4 der Schutz­ glocke 2 beträgt 1-5 mm. Auf der in die Schmelze eintauchenden Seite ragt die Kohleelektrode 1 aus der Schutzglocke 2 heraus. Der Abstand zwischen der Elektrodenunterkante 5 und der Unter­ kante 6 der Schutzglocke beträgt 30 mm.

Claims (10)

1. Kohleelektrode für Schmelzflußraffinationselektrolysen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kohleelektrode (1) von einer selbsttragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke (2) umgeben ist.

2. Kohleelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzglocke (2) im wesentlichen aus Al₂O₃ besteht, mit einem Al₂O₃-Gehalt von 99,7 %.

3. Kohleelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material der Schutzglocke (2) eine Gesamtporosität von maximal 5% aufweist.

4. Kohleelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Außen­ fläche (3) der Kohleelektrode (1) und der Innenfläche (4) der Schutzglocke (2) 1 bis 5 mm beträgt.

5. Kohleelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mindestwandstärke der Schutz­ glocke (2) 5 mm beträgt.

6. Kohleelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kohleelektrode (1) und die Schutzglocke (2) eine zylindrische Form haben.

7. Kohleelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der in die Schmelze einzutauchenden Unterseite (5) der Elektrode (1) und der Unterkante (6) der Schutzglocke (2) mindestens 10 mm beträgt.

8. Verfahren zum Vorwärmen einer Kohleelektrode für Schmelz­ flußelektrolyse, die von einer selbsttragenden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutzglocke (2) umgeben ist, wobei der Abstand zwischen der in die Schmelze einzutauchenden Unterseite (5) der Elektrode (1) und der Unterkante (6) der Schutzglocke (2) mindestens 10 mm beträgt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Vorwärmen mit folgenden Schritten unmittel­ bar im Elektrolyseofen erfolgt:

• a) Vorwärmen der Elektrode im Ofen oberhalb der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden.
• b) Eintauchen des unteren Teils der Kohleelektrode in die Schmelze und Aufheizen ohne direkten Kontakt der Schutz­ glocke mit der Schmelze über einen Zeitraum von 6 bis 10 Stunden.
• c) Weiteres Absenken der Elektrode bis auch die Schutzglocke in die Schmelze eintaucht.

9. Verwendung einer Kohleelektrode, die von einer selbsttra­ genden, gasdichten und temperaturbeständigen Schutz­ glocke (2) umgeben ist, als Kathode für Schmelzflußraffi­ nationselektrolyseverfahren.

10. Verwendung einer Kohleelektrode nach Anspruch 9 als Kathode für die Dreischichtenelektrolyse zur Raffination von Aluminium.