NO116901B - - Google Patents

Description

Brcnl kullaiiode for alumiiiiuin-elektrolyse.

Anodekullene i smelteelektrolyseovner

er foruten å slites som. følge av de reaksjo-

ner som opptrer ved elektrolysen også ut-

satt for en mere eller mindre sterk avbrenning på grunn av surstoff fra luften. Det er særlig den øvre del av anodekullene, «kullhodet» som er utsatt for denne avbrenning, idet dette hode er utsatt for luf-

ten. Alt etter kvaliteten av de kunstkull som brukes som elektrode begynner avbrenningen når det er surstoff fra luften til stede på overflaten av kullene i alminnelighet ved temperaturer mellom 300 og 350° C, for så ved ennu høyere temperatur å føre til at de ytre områder aå kunstkul-lene simpelthen faller av.

Under drift blir anodekullene varme som følge av påvirkning fra smelteelektro-lyten og kommer etter flere dagers drift etterhvert opp på de angitte temperaturer, hvorunder den øvre del av anodekullene først ennå befinner seg utenfor det smelte-dekke som beskytter mot angrep av surstoff i luften. Det foregår følgelig en avbrenning av hodet og denne opphører først når anoden alt etter hvor fort den forbru-

kes under elektrolysen dukker ned i den gasstette del av smeltedeket. Denne avbrenning betyr i alminnelighet et merk-bart tap som ofte også virker forstyrrende på driften.

På vedføyete tegning viser fig. 1—4 hendelsesforløpet i et eksempel med et anodekull som er 300 x 300 mm i tverrsnitt og 450 mm høyt og som er satt inn i en aluminiumelektrolyseovn hvor det befinner seg en smelte som er 220 mm høy og som har en temperatur på 950—970° C.

På tegningen betegner 1 bunnen i elektrolyseovnen, 2 laget av utskildt aluminium, 3 kryolitsmelten, 4 smeltedekket, som består av ler jord og tilslag samt av størknet smelte, 5 betegner anoden av brent kunstkull og 6 strømtilførselstapene av jern.

Etter innsettingen av anodekullene,

fig. 1, blir først den øvre del eller hodet av kullet etterhvert varmere. Første dag etter innsettingen hersker det i hodet ennu en gjennomsnittlig temperatur på 180° C,

og først etter seks dager er temperaturen på dette sted steget til ca. 290° C gjennomsnittlig. Kullet er i mellomtiden forbrukt så meget at hodet ennå bare raker ca. 70—

100 mm over smeltedekket, fig. 2, som i en tykkelse på ca. 100 mm ligger ovenpå elektrolyten. Overflaten av smeltedekket har en temperatur på gjennomsnittlig 300— 500° C. I området mellom smeltedekket og smeiten (kryolitsmelten) hersker en temperatur på ca. 600—800° C. På grunn av oppvarmningen ved strømgjennomgang og varmeoverføring fra smeiten og smeltedek-

ket har kullet i grenseområdet for innfør-ingen i smeltedekket antatt en tempera-

tur på 320° C. På dette sted er følgelig på

den sjette dag etter innsettingen av kullet avbrenningen allerede begynt. Det er her-under å bemerke at det øverste lag av smeltedekket kan slippe mere eller mindre gass gjennom, slik at surstoff fra luften ennå kan komme frem til overflatedelene av det kull som befinner seg i dette område. Avbrenningen av kullet går da videre på disse flater inntil hodet av kullet er sunket helt ned i det gasstette, dypere

smeltedekkeområde henholdsvis i selve smeiten. 9 dager etter innsettingen er anodehodet, forsåvidt det ennå befinner seg i det smeltedekkeområde som slipper gass gjennom, allerede avbrent forholdsvis sterkt, fig. 3, mens temperaturen i mellomtiden er steget til 450° C i kullhodet. Selv rundt den tappende som raker inn i kullhodet er hodet allerede angrepet.

Kullet kan derfor ikke utnyttes fullstendig. 12 dager etter innsettingen blir kulltoppen allerede oversvømmet av smeiten, og tappen ved hodet av kullet angrepet av smeiten, fig. 4. Kullet må følgelig tas ut av ovnen etter 12 dager, etter at kullet er brent av til en stump med en høyde på ca. 17 cm.

Det er for tidlige forbruk av kullanoden ved aluminiumsmelteelektrolyse på grunn av avbrenning av hodet blir i henhold til oppfinnelsen forhindret i høy grad ved at den øvre side av den brente anode forsynes med et tykt aluminiumhode som dekker hele den øvre side med unntagelse av det sted på midten hvor jerntappen er ført inn i anodehodet og eventuelt en smal kant på f. eks. 1—2 cm langs om-kretsen hvor en støpeform for fremstilling av aluminiumhodet kan settes på og ved at rommet mellom aluminiumhodet og jerntappen er fylt med elektrodemasse dvs. med kunstkullblanding hvorved elek-trodemassen danner en mansjett som etterhvert blir bakt og ved fremskredet forbruk av anoden beskytter jerntappen mot angrep av elektrolyten. Høyden av aluminiumhodet må velges slik at det beskytter den øvre flate av kullanoden minst til det øyeblikk hvor denne er dukket så langt ned i smeltedekket at overflaten i det vesentlige er utenfor påvirkning av surstoff fra luften. Følgelig må tykkelsen av et helt aluminiumhode over hele den øvre flate av kullanoden minst tilsvare tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom. Ved de alminnelige ovner for aluminiumfluoridsmelteelektrolyse må tykkelsen av aluminiumhodet være minst 3 cm. Ved kullanoder med et vannrett tverrsnitt på 300 x 300 mm er tykkelsen hensiktsmessig 8—10 cm. En for stor høy-de må unngås da det blir for sterk avkjø-ling og følgelig unødvendige varmetap. Det er å anbefale å velge den største høyde ikke større enn 15 cm.

Aluminiumhodet kan utformes som en tykk skive som er tilpasset utformningen av anodehodet med en sentral boring, men for å oppnå den ønskede beskyttelse er det ikke nødvendig å gjøre aluminiumhodet like tykt overalt. Det er tilstrekkelig om aluminiumhodet har den nødvendige minste høyde ved kanten av kullanoden eller i liten avstand fra denne og danner en hylse rundt jerntappen med omtrent samme høyde som kanten for opptagelse av kullmansjetten (mansjetten av elektrodemasse). Mellom kanten og hylsen kan aluminiumhodet være utformet hult ovenpå, dvs. oppvise en dyp renne. På denne måten blir det mulig å nedsette den meng-de, metall som trenges for å danne aluminiumhodet og samtidig vekten av den ano-dekombinasjon som er kittet på jerntappen.

Normalt er det øvre lag av smeltedekket som slipper gass gjennom ca. 3—7 cm. tykt, mens smeltedekket normalt har en samlet tykkelse på ca. 10 cm.

Spillet mellom jerntapp og aluminiumhode er ca. 1—5 cm. Hvis spillet er mindre enn 1 cm, vil den innstampede eller bedre innstøpte mansjett av kunstkullmasse ikke gi noen tilstrekkelig beskyttelse for jerntappen mot elektrolyten. Kullmansjetten kan fremstilles særskilt, idet en hylse av aluminiumblikk anordnes rundt jerntappen og fylles med kullmasse, hvorpå først støpningen av aluminiumhodet foregår. I dette tilfelle raker kullmansjetten hensiktsmessig opp over aluminiumhodet, dvs. dens høyde velges større enn tykkelsen av hodet. Derved kommer jerntappen til å bli ennå bedre beskyttet etter avsmeltingen av kjølehodet. Kullmansjetten raker f. eks. 5—8 cm opp over kjølehodet.

Det er mulig å fremstille aluminiumhodet særskilt og derpå sette det på kullanoden, fortrinsvis ved hjelp av et passende bindemiddel, f. eks. kulltjærebek.

Den enkleste og sikreste fremgangsmåte består dog i å støpe på aluminiumhodet

under anvendelse av en passende form.

Når det fremstilles renaluminium i elektrolyseovnen må dette hode selvsagt bestå av renaluminium. Hvis det derimot fremstilles aluminiumlegering kan hodet være fremstillet av en tilsvarende eller forøvrig passende aluminiumlegering.

Fig. 5—9 viser forskjellige utførelses-eksempler på aluminiumshodet og samtidig synkingen av anoden med tiden. Også

her betegner 1 sålen i elektrolysecellen 2, det utskilte smelteflytende aluminium, 3 fluoridelektrolyten, 4 smeltedekket, 5 kullanoden, 6 strømtilførselstappen av jern. Anoden 5 av brent kull er forsynt med et aluminiumhode 7, som kan ha en eller flere omløpende ribber 9 og/eller 8. Hodet 7

danner en utstrålingsflate som beskytter den øvre kant av anodekullet mot for tid-

lig avbrenning, samtidig som ribben 9 danner en hylse for mansjetten 10 av støpt kunstkullmasse. Ribben 8 må ikke ube-tinget være anordnet like ved kanten av kullanoden, men kan også stå i avstand fra denne. I stedet for to ribber kan det også være anordnet flere slike.

Etter innsettingen av kullanoden, fig. 5, i ovnen er temperaturforholdene ved hodet av kullet omtrent de samme som ved den ikke beskyttede kullanode som er vist i fig. 1. 6 dager etter innsettingen av kullanoden, fig. 6, kan det allerede merkes kjølende virkning av aluminiumhodet. Ved den øvre kant av kullanoden er temperaturen ca. 250° C i stedet for 290° C i det tilfellet som er vist i fig. 2. Noen avbrenning finner ennå ikke sted. 9 dager etter innsettingen av kullanoden, fig. 7 er aluminiumhodet ennå fullstendig bevart. Temperaturen ved den øvre karit av kullanoden, som ennå ikke er angrepet, har nådd ca. 300° C. Etter 11 dager, fig. 8, befinner aluminiumhodet seg allerede delvis i smeltedekket. Også her er aluminiumhodet bevart. Ribbene raker ennå ut, slik at hodet av kullet stadig blir kjølet. Temperaturen ved den øvre kant av kullanoden ligger ennå under den grense hvor avbrenningen begynner. Først når kull-hodet er dukket ned i det gasstette nedre lag av smeltedekket, altså er dukket ca. 3—7 cm ned, stiger dets temperatur etterhvert til verdier over 350° C, og da begynner også aluminiumhodet å smelte. På dette tids-punkt kan dog surstoffet i luften ikke lenger komme frem til kullhodet og dette er derfor beskyttet mot avbrenning. Fig. 9 viser tilstanden etter 14 dager. Aluminiumhodet er allerede den 13. dag smeltet bort. Kullmansjetten 10 beskytter nå jerntappen 6 mot angrep fra elektrolyten. Den fordel som oppnås ved hjelp av oppfinnelsen vil fremgå av en sammenligning mellom fig. 4 og fig. 9. Takket være aluminiumhodet blir kullhodet i det vesentlige opprettholdt i sin form. Dette gir også sikkerhet for en god binding mellom den forkoksende masse i mansjetten 10 og kull-hodet, og dermed for beskyttelsen av tappen mot angrep fra elektrolyten, også når denne overskyller hodet.

Levetiden for kullanoden, som i henhold til oppfinnelsen er beskyttet ved hjelp av et aluminiumhode og en mansjett av kullmasse er derfor større enn levetiden for en ikke beskyttet kullanode og kullet kan utnyttes bedre for den elektrolytiske prosess.

Aluminiumhodet kan utformes slik at det omgir den øvre del av kullanoden i

form av en trang kappe, altså raker langt nedover forbi den øvre kant.

Fig. 10 viser et vertikalsnitt gjennom to kullanoder 11 med felles aluminium-kjølehode 12, som omslutter disse også på siden og derved danner en kappe. Kjøle-hodet har en ytre, lavere-liggende ribbe 13 og to indre, høyereliggende ribber 14 rundt jerntappen 6. Forskjellen i høydebeliggen-heten mellom de ytre ribber og de indre ribber er betinget av formen av kullhodet, som her, i motsetning til de eksempler som er vist i fig. 1—9 ikke er jevn.

Aluminiumhodet kan fremstilles på vilkårlig måte. Eksempelvis kan hode og ribber støpes i ett stykke eller hodet kan sprøytes på med trykkluft som et tykt lag som dekker den øvre side av anoden eller det kan påføres på annen måte og ribbene fremstilles særskilt. Ribben for kullmansjetten kan eksempelvis fremstilles ved å anordne en hylse av aluminiumblikk rundt jerntappen.

Ytterligere systematiske forsøk har nå vist at aluminiumhodet ikke trenger å være så tykt overalt at tykkelsen tilsvarer tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom. Det er tilstrekkelig om høyden av ribbene eller ribben minst tilsvarer tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom, mens

aluminiumlaget som dekker anoden kan

ha mindre tykkelse, f. eks. 2—10 mm. Det har videre vist seg at den ytterligere beskyttelse av anodehodet mot luftavbren-ning, som er beskrevet ovenfor, også kan oppnås hvis det bare er en eneste ribbe som raker ovenfor anodehodet og som samtidig tjener som hylse for kullmansjetten. Kullanoden som er beskyttet på denne måten forholder seg på samme måte som den anode som er forsynt med et aluminiumhode hvis høyde overalt minst tilsvarer tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom. Anodehodet kommer først til å holde seg i form. Når den allerede delvis befinner seg i smeltedekket, raker ennå ribben ut og bevirker en kjøling av hodet og dermed en nedset-telse av temperaturen på den øvre kant av

kullanoden. Først når kullhodet er dykket

ned i det nedre lag av smeltedekket som ikke slipper gass gjennom begynner alu-miniumsribben å smelte. På dette tids-punkt er dog kullhodet allerede beskyttet

mot avbrenning og mansjetten tilstrekkelig bakt.

Når det aluminiumlag som skal danne aluminiumhodet blir sprøytet på, er det hensiktsmessig i samme arbeidsgang også å forsyne sideflatene på anodekullet med et overtrekk av aluminium. Påsprøytingen foregår hensiktsmessig på den måten at metallet helles fra en panne og den fri stråle sprøytes med pressluft mot anodekullet, mens denne fritthengende dreies om sin akse. Påsprøytingen med pistol kan også brukes, men er ikke på langt nær så økonomisk.

Det er i og for seg kjent å forsyne brente kullanoder for aluminiumsmelteelektrolyse med en kappe av aluminium for å beskytte kullet mot avbrenning. En vanlig aluminiumkappe beskytter dog kullhodet bare på ufullstendig måte. I det øvre lag av smeltedekket som slipper gass gjennom hersker temperaturen mellom 500 og 700° C. Allerede ca. 6 dager etter innsettingen av kullanoden er kappen var-met opp til 400—500° C. 9—10 dager etter innsettingen begynner aluminiumkappen å smelte også ved hodet av kullet, ennå før kullhodet er kommet gjennom det øvre lag av smeltedekket som slipper gass 'gjennom. Av denne grunn vil det ofte bli avbrenning ved kullhodet også ved kullanoder som er omgitt med kappe på kjent måte. Først ved hjelp av det høye aluminiumhode i henhold til oppfinnelsen er det blitt mulig å unngå dette fenomen.

Det er også tidligere kjent å omgi den nedre ende av jerntappen for strømtilfør-sel til kullanoden med elektrodemasse for å beskytte jernet mot angrep fra elektrolyten. Anvendelsen av en slik mansjett alene gir dog ikke alltid noen sikker beskyttelse av jerntappen. Når kullhodet brenner av kan det ikke oppnås en tilstrekkelig binding mellom massen i mansjetten som langsomt forkokses og kull-hodet. Hvis kullhodet dessuten også over-skylles av smeiten, så trenger denne inn mellom mansjetten og kullhodet. Mansjetten løsner og kan ikke lenger utøve noen beskyttelsesvirkning.

En tilstrekkelig beskyttelse blir først oppnådd ved den kombinerte virkning, i henhold til oppfinnelsen av et spesielt utformet aluminiumhode og en kullmansjett rundt forbindelsestappen av jern. På grunn av at aluminiumhodet fører bort varme blir kullhodet kjølet så meget mens det passerer det kritiske område i smeltedekket, hvor det ennå er utsatt for surstoff fra luften, at dets temperatur holdes under den grense hvor avbrenningen begynner. Derved blir kullhodet bevart og det oppnås sikkerhet for at en god binding mellom kullmassen i mansjetten og kullanoden og at mansjetten på denne måten beskytter jerntappen mot å angripes av elektrolyten.

Claims (5)

1. Brent kullanode for aluminium-elektrolyse med strømtilsførsel gjennom en jerntapp som er satt inn ovenfra, karakterisert ved at den på sin øver flate er forsynt med et tykt hode av aluminium som dekker hele den øvre flate med unntagelse av det sted på midten hvor jerntappen er satt inn i anoden, og eventuelt med unntagelse av en smal kant langs anodeomkretsen, idet høyden av aluminiumshodet minst tilsvarer tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom samt at rommet mellom aluminiumshodet og jerntappen er fylt med en mansjett av elektrodemasse.

2. Brent kullanode som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at aluminiumshodet omslutter kullanoden også på siden.

3. Brent kullanode som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at aluminiumshodet er forsynt med en eller flere ribber, idet bare ribben, henholdsvis ribbene på aluminumhodet har en høyde som minst tilsvarer tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom, mens tykkelsen av aluminiumhodet forøvrig er mindre enn tykkelsen av det lag av smeltedekket som slipper gass gjennom.

4. Brent kullanode som angitt i på-stand 3, karakterisert ved at aluminiumhodet bare har en ringformet ribbe som er anordnet rundt jerntappen og tjener til å oppta kullmansjetten.

5. Brent kullanode som angitt i på-stand 3, karakterisert ved at aluminiumshodet har to ringformede konsentriske ribber, idet den indre er anordnet rundt jerntappen og tjener til å oppta kullmansjetten.