DE879586C - Verfahren zur Erzeugung von Aluminium mit selbstbackenden Dauerelektroden - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 15. JUNI 1953

E 3444VIIId/2ih

Elektrokemisk A/S, Oslo

Dauerelektroden

Die Erfinderin hat sich schon früher mit der Verbesserung von Söderbergelektroden für Aluminiumöfen befaßt. Dabei wurde eine Ausführungsform entwickelt, bei welcher der elektrische Strom der Elektrode von oben mittels konischer, vertikal in die Elektrode hineinragender Metallbolzen zugeleitet wird. Die Bolzen werden durch Herausziehen entfernt, ehe ihr unteres Ende mit dem Kryolitbade im Ofen in Berührung kommt. Danach wird der Bolzen wieder in seine frühere Stellung gebracht, jedoch in eine etwas höhere Lage, und mit Hilfe einer bestimmten Menge Elektrodenmasse, die in den nunmehr entstandenen Hohlraum eingefüllt wird und den konischen Teil des Bolzens umgibt, an die Elektrode angebacken, wenn sich der Bolzen wieder in dem Sitz befindet, in welchem er festgebacken werden soll.

Es hat sich erwiesen, daß diese Ausführung in der Praxis große Vorteile hat. Sie hat in der Aluminiumindustrie bereits ausgedehnte Anwendung gefunden. Die Ausführung hat aber noch den Nachteil, daß die Bolzen jedesmal, wenn sie in eine höhere Stellung gebracht werden sollen, ganz aus der Elektrode herausgezogen werden müssen. Dabei

ist nicht zu vermeiden, daß beträchtliche Mengen Teerdampf durch den Hohlraum am Elektrodenkopf entweichen, besonders wenn rohe Elektrodenmasse in den Bolzenhohlraum eingefüllt wird. Die Teerdämpfe stören wenig, wenn es sich um einen einzelnen Ofen handelt, wirken sich aber in einem großen Werk, in welchem eine Reihe solcher Öfen in einem Raum im Betrieb ist, belästigend aus. Man muß dann Maßnahmen treffen, um diese Teer-

ίο dämpfe aufzusammeln und abzusaugen, was aber schwierig ist, da man zur Handhabung der Bolzen zu diesen Zutritt haben muß. Das Verfahren erfordert auch viel zusätzliche Arbeit, und die elektrische Stromzufuhr muß unterbrochen werden.

Die Erfinderin hat ein Verfahren erprobt, durch welches diese Nachteile vermieden werden sollten, und zwar durch Ausbildung der Bolzen als-Schrauben, die nach und nach aus der Elektrode herausgeschraubt werden. Dieses Verfahren führte aber nicht zum Ziel, weil man den Fehler machte, das untere arbeitende Ende der Schrauben stets im untersten, fertiggebackenen Teil der Elektrode steckenzulassen. Es gelang infolgedessen nicht, hinlänglich guten Kontakt mit der Elektrode herzustellen. Dadurch entwickelte sich bei dem Stromübergang. ZUi^-. Elektrode so große Hitze, daß das Schraubengewinde rasch zerstört wurde. Es wurde versucht, den Kontakt dadurch zu verbessern, daß dem Bolzen eine konische Schraubenform gegeben wurde, deren breitester Teil in die Elektrode hineinragte. Die Schraube sollte sich dadurch in der Elektrode einen Weg bahnen; es wurde jedoch auf diese Weise kein ausreichend guter Kontakt erhalten. Gleichzeitig zeigte die Elektrode erhebliche Neigung zur Rissebildung, wodurch die Gefahr besteht, daß Elektrodenstücke abfallen. Das Verfahren wurde mehrere Jahre hindurch im industriellen Maßstab geprüft, mußte dann aber aufgegeben werden.

Die Erfinderin hat nach genauerem Studium der Verhältnisse in der Elektrode eine Lösungsmöglichkeit für das Problem gefunden. Die Söderberg- - elektrode besteht aus einem unteren gebackenen und einem oberen, rohen oder ungebackenen Teil. Zwisehen diesen Teilen liegt diejenige Elektrodenzone, in der die Abtreibung der flüchtigen Bestandteile stattfindet und in der die Elektrode hartgebacken wird. Die Lage der Backzone kann leicht durch Einführung einer Eisenstange vom Elektrodenkopf aus festgestellt werden. Die Stange durchdringt leicht den rohen Teil und stößt auf die obere Grenze der Backzone, in welcher die Elektrode hart wird. Bei den jetzt verwendeten Ausführungen der senk-

: recht angeordneten Söderbergelektrode in AIummiumöfen liegt die Backzone ungefähr in einer horizontalen Ebene, mit Ausnahme des peripherischen Teiles, in welchem sich die Backzone gegen das Schmelzbad hin neigt. Wird eine Elek-

- · trodenmasse von relativ hohem Schmelzpunkt, z. B.

80 bis iio° C, verwendet, so kann die Schicht roher Elektrodenmasse am Elektrodenkopf auf etwa 10 bis 20 cm reduziert werden. Die Lage der Backzone wird von der in der Elektrode während der Elektrolyse angewandten Stromdichte abhängen. Gewöhnlich wird sie in einem Abstand von etwa 50 cm vom Schmelzbad liegen. Die obere rohe Masse in der Elektrode, die mehr oder weniger flüssig und ohne Porosität ist, verhindert das Entweichen der in der Backzone während des Backens gebildeten Teerdämpfe durch den oberen Teil der Elektrode. Die Dämpfe müssen nach unten durch den gebackenen Teil der Elektrode, der eine bedeutende Porosität von z. B. 25 °/o hat, entweichen. Man erhält deshalb in der Elektrode einen nach unten verlaufenden Strom von Teerdämpfen, die hinter dem permanenten Mantel aus der Elektrode entweichen. Da der permanente Mantel im allgemeinen in einem Abstand von 20 bis 25 cm oberhalb des Schmelzbades endet, werden sich stets große Mengen Teerdampf in den Poren der oberen 20 bis 30 cm der Elektrode, von der obersten Grenze der Backzone nach unten gerechnet, befinden.

Die Erfinderin hat nun gefunden, daß ein heißglühender Eisenbolzen, der aus der untersten Lage in der Elektrode aufwärts verschoben wird, einem abwärts verlaufenden Strom von Teerdämpfen begegnet, die in den Teilen der Elektrode gleich unter der Backzone in geeignetem Abstand von dem Schmelzbad ziemlich konzentriert sind. Diese Teerdämpfe enthalten ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die in Berührung mit einer glühenden Metallfläche pyrogen gespalten werden. Wenn man die glühende Bolzenfiäche aus dem unteren Teil der Elektrode in diese Zone heraufzieht, verkoken die Teerdämpfe am Bolzen. Wenn die Bolzen deshalb so ausgestaltet werden, daß ihre Seitenflächen in der Elektrode parallel zur Seitenwand der von ihnen hervorgerufenen Hohlräume heraufgezogen werden, so wird der Abstand der Bolzen von der Elektrode in der obersten Position nur Bruchteile eines Milli- j meters betragen. Der Koks, der sich durch Verkoken an der glühenden Oberfläche des Bolzens bildet, reicht dann vollständig zum Festbacken des Bolzens in der Elektrode aus, ohne daß man Elektrodenmasse in den Hohlraum einzuführen braucht. Diese Tatsache ist im ersten Augenblick vollständig überraschend und scheint mit den Erfahrungen bei Anwendung von Bolzenschrauben in Widerspruch zu stehen. Bei einer bekannten Ausführungsform erhält die Elektrode an der Berührungsfläche mit dem Bolzen die Form einer Schraubenmutter, so daß die schraubenförmigen Bolzen kontinuierlich aus der Anode aufwärts herausgeschraubt werden können. Bei der früher angegebenen Verfahrensweise wurden die Schrauben nur jedesmal wenige Zentimeter gehoben, und somit wurde der glühende Teil der Bolzen nicht in den oberen Teil der gebackenen Zone der Elektrode verschoben, in welchem der Bolzen durch das Verkoken ungesättigter Kohlenwasserstoffe an den Oberflächen der Bolzen selbsttätig festgebacken wird. In dem Teil der Elektrode, der im Bereich des Schmelzbades liegt, sind die Poren mit gesättigten Kohlenwasserstoffen (H₂, CH₄ od. dgl.) gefüllt, die nicht verkokt werden.

Die Erfinderin hat nun die Eisenbolzen dahin 1*5-geändert, daß erfindungsgemäß ihr unterer Teil

nicht mehr konisch, sondern mit konstantem Querschnitt ausgeführt wird. Wenn sie aus der untersten Lage weit genug nach oben in die Elektrode verschoben werden, um in denjenigen Teil der Elektrode zu gelangen, in welchem die Teerdämpfe konzentriert sind, wird die Bildung von ausreichenden Koksmengen zum Festbacken in der neuen Lage erfolgen. Unter gewöhnlichen Umständen wird der Bolzen jedesmal etwa 20 bis 40 cm gehoben.

Das oben beschriebene Verfahren kann sowohl mit Schrauben- als mit Zylinderbolzen, wie sie allgemein in Gebrauch sind, angewendet werden. Es ist jedoch von Vorteil, die Bolzenoberfiäche im Verhältnis zum Querschnitt etwas größer zu machen als bei den bekannten zylindrischen Bolzen. Dadurch wird das Spannungsgefälle reduziert. Dies wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß man dem unteren Teil des Bolzens einen rechteckigen oder anderen vieleckigen Querschnitt gibt, wodurch die Kontaktfläche zwischen den Bolzen und der Elektrodenmasse bei demselben Bolzenquerschnitt bedeutend größer wird als bei zylindrischem Bolzen. Früher wurden die Bolzen in der Elektrode nicht hochgezogen, weil der Bolzen dadurch möglicherweise die rohe oder mehr oder weniger halbgebackene Elektrodenmasse im oberen Teil der Elektrode anhebt, wodurch Elektrodenrisse entstehen. Diese können dazu führen, daß Elektrodenstücke abfallen, sobald die betreffende Schicht das untere Ende der Elektrode erreicht hat. Die Erfinderin hat jedoch gefunden, daß dieser Nachteil durch Anwendung scharfer Schläge in hochgehender Richtung" auf den Bolzen, wie man sie durch Anwendung eines scharfen Lufthammers erzielt, behoben werden kann. Diese Schläge wirken momentan, und die Verbindung des Bolzens mit dem rohen bzw. halbgebackenen Teil der Elektrode wird gebrochen, bevor der Zug in einigem Abstand von den Bolzen wirken kann.

Es ist auch vorteilhaft, die Kontaktbolzen in dem weichen Teil der Elektrodenmasse konisch zu gestalten, um die Neigung der Elektrodenmasse, an dem Bolzen zu haften, zu vermindern. Wenn der Bolzen gehoben wird, muß die Masse Gelegenheit haben, den kleinen Hohlraum, der sich um den Bolzen bildet, zu füllen. Der konische Teil des Bolzens soll gut poliert und zweckmäßigerweise geschmiert sein.

Die Figur zeigt eine Vorrichtung zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens, in welcher 1 die Elektrode, 2 einen vertikalen Bolzen in niedrigster und 3 in höchster Lage veranschaulicht. Die Aufhängung der Elektrode sowie die Stromzuführung zu derselben erfolgen mittels der Hauptstromschienen 4, die mit Hilfe von Schraubenspindeln 5 in die richtige Höhenlage gebracht werden können. 6 bezeichnet den permanenten Eisenmantel, der als Form der Elektrode dient und den Gasaufsammlungsring 7 trägt. 8 zeigt die Höhe des Bades im Ofen an. 9 ist der rohe'ungebackene Teil der Elektrode, der die Teerdämpfe, die sich beim Backen des unteren Elektrodenteiles entwickeln, nicht durchdringen läßt. 10 ist der harte.

poröse, gebackene Teil der Elektrode. Wie durch die Schraffur io" angedeutet, ist die Konzentration der ungesättigten Kohlenwasserstoffe in der oberen Zone des gebackenen Teiles sehr hoch, während sie weiter unten, io^ft, im Bereich des Schmelzbades abnimmt, weil die ungesättigten Kohlenwasserstoffe durch Berührung mit dem glühenden Koks gespalten werden und seitwärts unter dem permanenten Mantel entweichen. 11 zeigt einen Kontaktbolzen mit einem konischen Teil in der rohen Masse.

Die gezeigte Ausführungsform des Verfahrens ist nur als Beispiel anzusehen; die Einzelheiten der Ausführung können in mannigfacher Weise verändert werden.

Die oben beschriebenen Bolzen und das Verfahren zum Herausziehen derselben haben den Nachteil, daß der Bolzen hinter sich in der Elektrodenmasse einen Hohlraum hinterläßt, der nach dem beschriebenen Verfahren nicht mit Elektrodenmasse gefüllt wird. Dieser Hohlraum ist deshalb nach unten gegen das Schmelzbad offen, und das Bad steigt entsprechend seiner Höhe außerhalb der Elektrode in den Hohlraum. Der Bolzen muß infolgedessen, damit er nicht vom Bade angegriffen wird, gehoben werden, ehe der unterste Bolzenteil in den Bereich des Bades kommt. Dadurch wird das Spannungsgefälle in der Elektrode etwas höher als gewöhnlich. Es ist deshalb vorteilhaft, den Hohlraum in irgendeiner Weise zu füllen, entweder mit Elektrodenmasse, mit Kryolith oder Aluminiumoxyd oder Mischungen hiervon. Es wurde gefunden, daß dies z. B. durch Anwendung hohler Bolzen oder Anbringung eines besonderen Kanals in der Elektrode neben dem Bolzen bewerkstelligt werden kann.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Aluminium

im elektrischen Ofen mit selbstbackenden Dauerelektroden, denen der elektrische Strom mittels metallischer Kontaktbolzen zugeführt wird, die in die Elektrode in vertikaler Richtung eingeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbolzen, dessen in der Zone der gebackenen Elektrode befindliche Teil einen konstanten Querschnitt aufweist, stufenweise vorzugsweise je 20 bis 40 cm in der sich wegzehrenden Elektrode gehoben wird, so daß sich ein Teil des Kontaktbolzens nach dem Heben in derjenigen Elektrodenzone befindet, in welcher die Konzentration von ungesättigten Kohlenwasserstoffen ein Festbacken des Kontaktbolzens an die Elektrodenmasse gestattet, wobei Teerdämpfe an der glühenden Bolzenoberfläche verkoken und dadurch zwischen Elektrodenmasse und dem Kontaktbolzen eine elektrisch leitende Verbindung gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktbolzen mit einem Querschnitt von rechteckiger oder vieleckiger

Form verwendet werden, die eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen Bolzen und Elektrode ergeben.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hochziehen der Kontaktbolzen scharfe Schläge mittels eines Lufthammers angewendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Zone der gebackenen Elektrode befindliche Teil des Kontaktbolzens parallele Seitenflächen hat, während der Teil, der sich in dem oberen weichen Teil der Elektrode befindet, konisch ausgeführt ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbolzen hohl ausgeführt sind, so daß Füllmasse in den Hohlraum unterhalb des Kontaktbolzens eingeführt werden kann.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse durch einen Kanal in der Elektrode in den Hohlraum unterhalb des Kontaktbolzens eingeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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