NO120039B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av elektrode eller ledning for bruk i en 3-lags-celle for raffinering av aluminium.

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrode eller ledning for bruk i elektrolytiske celler av tre-lagstypen som anvendes ved raffinering av aluminium, idet cellene om-fatter en bunn og sidevegger av magnesitt eller et annet tungtsmeltelig materiale som er motstandsdyktig mot innvirkningen av flussmidlene, en bunnforing av kullstoff eller grafitt som er i elektrisk kontakt med strøm tilførende staver, f. eks. av jern, an-brakt på cellens bunn, og andre strømtilfø-rende elektroder eller ledninger som stikker ned i laget av smeltet, renset aluminium som flyter på det smeltede flussmiddellag i cellen, idet det tredje lag er en aluminiumlegering (i alminnelighet et som inneholder en stor mengde kobber) som har høyere spesifikk vekt enn flussmidlet og hviler på bunnforingen i cellen. Slike tre-lags-celler opererer normalt ved en temperatur på 740—780° C.

De strømtilførende elektroder eller

ledninger som er forbundet med den nega-tive pol på en likestrømskilde og stikker ned i topplaget i cellen er i mange år blitt laget av grafitt, ofte for beskyttende formål overtrukket med et ytre lag av rent aluminium. Levetiden for slike elektroder eller ledninger er begrenset, da de forholds-vis hurtig oksyderes, særlig like over nivået på det flytende aluminium og må for-nyes med jevne mellomrom. I tillegg til dette har de en tendens til å utvikle et lag med stor motstand ved deres grafitt/ metall-flater, sannsynligvis som et resultat av flussmiddelabsorbsjon, og dette nødven-

og høyere temperaturer. Det er nødvendig diggjør at de fjernes for rensning med mellomrom på to til tre uker.

Det er nylig blitt foreslått bruk av strømtilførende elektroder eller ledninger for elektrolytiske tre-lags celler som hovedsakelig er sammensatt av minst ett av de materialer som inneholdes i den gruppe som består av karbidene og boridene av titan og zirkon. For letthets skyld vil den følgende beskrivelse bli begrenset til bruk av titankarbid, men det skal forstås at et hvilket som helst annet egnet materiale eller blandinger av materialer som er valgt fra den ovenfor nevnte gruppe kan anvendes i stedet for titankarbid.

Elektroder eller ledninger av titankarbid har fordeler like overfor grafittelektroder eller ledninger, da de ikke ødelegges noe særlig ved oksydasjon i cellen og deres gjennomsnittlige levetid er meget lenger enn levetiden for grafittledninger eller -elektroder. De krever også rensning med mindre hyppige mellomrom og idet de har bedre elektrisk ledningsevne gir de et mindre spenningsfall mellom katodebj eiken og det rene aluminiumlag i cellen enn normale grafittelektroder eller- ledninger. Det sist-nevnte kan gi et spenningsfall på 0,4 til 0,7 volt, mens titankarbid gir et spenningsfall på bare 0,05 til 0,15 volt.

Titankarbid oksyderes imidlertid og danner en særlig gjennomtrengende form for oksydasjon ved temperaturer på ca. 450° C, hvor det dannes et pulveraktig ikke-beskyttende oksydasjonsprodukt. Oksyda-sjonen er betydelig mindre ved både lavere og høyere temperaturer. Det er nødvendig å beskytte elektrodene og ledningene som er fremstilt av titankarbid fra dette angrep mens de er i bruk og det er blitt funnet at den mest tilfredsstillende fremgangsmåte er å dekke elementene med et hylster av aluminium. Anvendelse av et aluminium-dekke, som mekanisk er tilpasset over elektrodene eller ledningen, eller også støpt omkring disse, gir imidlertid ikke tilstrekkelig beskyttelse, og hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å skaffe en forbedret fremgangsmåte for overtrekning av titankarbid og liknende elektroder eller ledninger som skal resultere i et forbedret produkt som vil være tilstrekkelig bekyttet mot oksydasjon mens det er i bruk.

Ifølge foreliggende oppfinnelse overtrekkes en stav som hovedsakelig er sammensatt av minst ett av de materialer som omfattes av gruppen karbidene og boridene av titan og zirkon med et metall som kan legeres med aluminium, fortrinsvis med kobolt eller nikkel, hvoretter et aluminiumshylster støpes omkring den overtrukne stav, mens staven opphetes til en temperatur som er tilstrekkelig til at aluminiumet legerer seg med overtrekket.

Skjønt titankarbid og de andre materialer i den nevnte gruppe kan fuktes med aluminium i et vakuum ved en temperatur på over 1150° C, eller elektrolytisk ved å gjøre materialet til katode i en reduksjons-eller raffineringscelle, er disse fremgangs-måter ikke hensiktsmessige hvor det er spørsmål om forhåndsovertrekning av elektroden eller ledningen. Det foretrekkes der-for å elektroplettere eller galvanisere elektroden eller ledningen med kobolt eller nikkel og å sintre det pletterte overtrekk til overflaten av materialet og deretter å støpe på aluminium under slike betingelser at det vil legere seg med kobolt- eller nik-kellaget. Dette gir et fast vedhengende ytre overtrekk av aluminium som gir meget god beskyttelse mot oksydasjon.

Som et eksempel kan de separate trinn i fremgansgmåten utføres som følger: a) En varm-presset TiC stav med en diameter på 50 mm (som skal anvendes som en elektrode eller ledning) renses grundig for å fjerne det graffitiske overflatelag. Dette utføres lettest ved hjelp av sandblås-ing, men kjemisk rensning (f. eks. i varm alkalisk kalium-permanganat-oppløsning) kan også anvendes. Staven må ikke hånd-teres etter rensningen. b) Staven vaskes med vann og plette-res umiddelbart etter med kobolt eller nikkel til en tykkelse på ca. 0,025 mm. Et am-moniakalsk koboltsulfat er egnet for ko-boltplettering og et nikkelsulf atammonium-kloridbad for nikkelplettering. c) Den pletterte stav opphetes i nøy-tral eller reduserende atmosfære til omtrent 1050° C og holdes ved denne temperatur i ca. 30 minutter for å brenne kobolt eller nikkel fast til karbidet. Denne be-handling utføres hensiktsmessig i en elektrisk ovn forsynt med vannstoffatmosfære, men det er også oppnådd gode resultater ved å innføre staven i en lukket grafittbe-holder som deretter opphetes til den nød-vendige temperatur uten andre forholds-regler med hensyn til kontroll av atmo-sfæren. d) Staven blir til slutt satt i bunnen av en grafittform som inneholdes i et stålskall

og opphetes til 750—800° C. Smeltet aluminium med samme temperatur helles deretter i og etter en kort periode ved denne temperatur (f. eks. 15 minutter) fjernes formen fra ovnen og avkjøles. Formen om-fatter et stort matningshode ved toppen og avkjølingen av formen oppholdes ved lokal opphetning således at det oppnås en størk-ning i retning mot hodet.

Som et resultat fåes det et helt overtrekk på 6,5 mm tykkelse rundt staven over praktisk talt hele lengden av denne (en ende etterlates bar) og fortsetter som en fast stav (75 mm i diameter) omtrent 75 cm under enden av TiC-staven.

For at dette og andre trekk ved opp-finnelsen lett skal kunne forståes, skal den i det følgende forklares ved hjelp av teg-ningen, hvor

fig. 1 er et delvis snitt som viser en overtrukket elektrode i bruksstilling,

fig. 2 er et grunnriss av denne,

fig. 3 er fig. 1 sett fra siden og viser den

øvre del av overtrekket, og

fig. 4 er et noe skjematisk oppriss av en tre-lags-celle ifølge foreliggende oppfinnelse.

En fullstendig overtrukket elektrode sammensatt av titankarbid og ferdig før innføring i en tre-lags-celle er vist i figu-rene 1 til 3. TiC-staven er 25 mm i diameter og normalt ca. 22,5 cm lang, idet den imidlertid kan være langt kortere enn dette, hvis det er ønskelig og det er blitt brukt. staver på bare 10 cm.

Aluminiumhylsteret 2 har hensiktsmessig en tykkelse som er nevnt ovenfor, dvs. 6,5 mm, men dette kan varieres betydelig uten at det har noen særlig virkning på elektrodens funksjon. Renhetsgraden for den anvendte aluminium er ikke av særlig betydning, da bare en liten mengde opp-løses i katodemetallet i cellen. Teknisk rent (99,2 pst.) aluminium er egnet for dette formål.

Under påstøpningen av hylsteret stik-kes enden 3 på TiC-staven inn i en grafittmal for å sentrere staven i formen. Denne del av staven (omtrent 12 mm lang) blir således ikke dekket med aluminium. Elektroden dyppes normalt inn i metallaget i cellen til en dybde på omtrent 50 mm, idet nivået for overflaten på dette lag er anty-det ved 4 i fig. 1, og det er viktig å sikre at aluminiumhylsteret er godt bundet til TiC til under dette nivå ved påstøpningen. Når den er i bruk i cellen smelter hylsteret 2 på staven 1 tilbake til et punkt ca. 12 mm over nivået 4, og den metallhud som etterlates av det vedhengende hylster tjener til å beskytte de utsatte mellomliggende flater fra oksydasjon og angrep av flussmiddel-damper.

Elektrisk forbindelse med den ytre krets gjøres til den ende av den faste del 2a på hylsteret som stikker utenfor staven 1. Dette kan hensiktsmessig gjøres ved å flat-gjøre enden 5 på den faste del 2a og å sveise den direkte til en egnet aluminiums-ledning, f. eks. en rektangulær stav med et tverrsnitt på 10 x 1,8 cm, som vist ved 6.

For å redusere energitap fra cellene ved stråling og konveksjon er det fordelaktig å anvende en skjerm over laget 4 av katode-metall. Dette kan anordnes på selve elektrodene og det er vist en type skjerm som kan anvendes i fig. 1. Den består av en aluminiumplate 7 omtrent 6,5 mm tykk, som passer over hylsteret 2 og holdes av en krave 8. Denne kan reguleres til en hvil-ken som helst gitt stilling og sperres ved hjelp av skruer 9, som trenger inn i aluminiumhylsteret.

En måte som elektrodene av den art som er beskrevet ovenfor kan utnyttes på i en tre-lags celle, er vist i fig. 4.

Hovedstrukturen av cellen består av et fundament og en ytre beholder 10, fremstilt av ildfast sten av et materiale som magnesitt, som er motstandsdyktig mot smeltede flussmidler, som anvendes i en elektrolyse. Jern ledningsstaver 11 er innført gjennom sideveggen og holdes av fundamentet for cellen. De stikker ut fra det ytre av cellen således at det kan fåes en hensiktsmessig forbindelse med den positive pol på den ytre elektriske krets. Den indre bunn i cellen er konstruert av kullstoff- eller grafitt-blokker 12, som er tilpasset over ledningsstaver og er i god elektrisk kontakt med disse.

Selve det smeltede bad består av et anodelag 13 av aluminium som inneholder en stor mengde kobber for å øke tettheten, ett flussmiddellag 14, og et katodelag 4 av renset aluminium. Temperaturen i badet under normale betingelser er vanligvis i området 740—780° C.

Elektrisk forbindelse oppnås med ka-todelaget 4 ved hjelp av de overtrukne elektroder som er beskrevet ovenfor. TiC-sta-vene 1 er neddyppet i det smeltede aluminium til en dypde av omtrent 50 mm. Alu-miniumslederen 6 som danner hovedopp-hengningen for hver elektrode er klemt fast til den ytre elektriske samleskinne eller «katodebjelke» 15. Disse bjelker er normalt anordnet således at de kan reguleres i høyde. Når nivået for det smeltede bad forandres (f. eks. når det rene metall i topplaget tappes av), kan således alle elektroder heves eller senkes samtidig for å korrigere deres neddypning. In-dividuell regulering for hver elektrode kan gjøres ved hjelp av klemmen 16 som anvendes for å holde elektroden i god elektrisk kontakt med bjelken.

For å nedsette energitapet fra cellen ved stråling og konveksjon til et minimum, er det hensiktsmessig å dekke toppen med skjermer. Dette kan gjøres ved en hensiktsmessig kombinasjon av skjermer 7 som holdes av de individuelle elektroder, og andre skjermer 17 som hviler på cellens sidevegger.

Det skal bemerkes at TiC-staver har tilbøyelighet til å sprekke hvis de under-kastes alvorlige termiske sjokk, og det er tilrådelig å innføre dem langsomt til cellen, således at de forvarmes før de kommer inn i det smeltede aluminiumbad.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en elektrode eller ledning for bruk i en tre-lags-celle for raffinering av aluminium, karakterisert ved at en stav som hovedsakelig er sammensatt av minst ett av de materialer som omfattes av gruppen karbidene og boridene av titan og zirkon overtrekkes med et metall som kan legeres med aluminium, fortrinsvis med kobolt eller nikkel, hvoretter et aluminiumshylster støpes omkring den overtrukne stav, mens staven opphetes til en temperatur som er tilstrekkelig til at aluminiumet legerer seg med overtrekket.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at temperaturen er 750— 800° C.

3. Fremgangsmåte ifølge en av påstan-dene 1—2, karakterisert ved at overtrekket smeltes fast til staven ved å opphete den overtrukne stav i en nøytral eller reduserende atmosfære ved en temperatur på omtrent 1050° C i ca. 30 minutter.

4. Fremgangsmåte ifølge en av på-standene 1—3, karakterisert ved at den pletterte stav anbringes i bunnen av en grafittform inneholdt i et stålskall og opp- hetet til en temperatur på fra 750 til 800° C, hvoretter smeltet aluminium med samme temperatur helles i formen og etter en kort periode ved denne temperatur fjernes formen og tillates å avkjøle.

5. Fremgangsmåte ifølge påstand 4, karakterisert ved at bunnenden på den pletterte stav innføres i et grafittmal for å sentrere staven i formen således at denne del på staven ikke dekkes med aluminium.