NO123159B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved drift av ovner for elektrolytisk fremstilling av aluminium.

Ved aluminiumovner skjelner man som

kjent mellom to konstruksjonsprinsipper. Ovnene kan enten være utstyrt med selvbrennende anoder (de såkalte Søderberg-anoder) som arbeider kontinuerlig, eller med ferdibrente blokkanoder av kunstkull som må skiftes ut etter som de forbrukes og derved gir diskontinuerlig arebidsmåte for den anodiske del.

De aluminiumovner som er utstyrt med

ferdigbrente anoder, har den fordel fremfor ovner med selvbrennende anoder at de har mindre spenningsfall. Dette skyldes ho-vedsakelig at den spesifike elektriske motstand i ferdigbrente blokkanoder er mindre enn i anoder av forkokset Søderbergmasse.

Den spesifike motstand i ferdigbrente blokkanoder ligger på ca. 50 til 70,10-<4 >Ohm.cm<2> . cm-<1> ved 20° C, mens den i forkokset Søderberg-masse er ca. 80 til 110,10-<4 >Ohm.cm".-<1> ved 20° C alt etter massens sammensetning. Dette er den vesentlige år-sak til det mindre anodiske spenningsfall i ovner med ferdigbrente anoder sammenlignet med Søderbergovner. Hertil kommer at spenningsfallet mellom de strømførende elementer og kullmassen i alminnelighet ligger noe lavere ved ferdigbrente anoder enn ved Søderberg-anoder, da strømlederne for ferdigbrente anoder er ført inn i disse utenfor ovnen og derfor kan skrues, støpes eller klebes fast til kullmassen, mens strøm-lederne ved Søderberg-anoden føres inn i ovnen ovenfra under ovnsdriften på en slik måte at de når de har nådd sin dypeste stilling, kan løsnes og trekkes ut. Dessuten er avstanden mellom den nederste enden av strømlederne og anodeflaten som man kan la strømlederne i ferdigbrente anoder synke til, henholdsvis la kullblokkene brenne av til før kullresten fjernes fra ovnen, i alminnelighet mindre enn den tilsvarende avstand mellom strømbolten og anodeflaten ved Søderberg-anoder før boltene må forskyves, dvs. at den midlere strømbane fra strømlederne til anodeflaten i alminnelighet er mindre ved ferdigbrente anoder enn ved Søderberg-anoder, slik at den ferdigbrente anode også her har en fordel fremfor Søderberg-anoden.

Man kan av denne grunn drive aluminiumovner med ferdigbrente anoder med et anodisk spenningsfall som ligger ca. 0,15 til 0,3 V lavere enn ved ovner med selvbrennende anoder. Ved ellers samme drifts-måte og strømutbytte betyr denne spen-ningsbesparelse i ovner med ferdigbrente anoder en vinning på 0,5 til 1 kWh/kg aluminium i forhold til ovner med selvbrennende anoder.

Når man i dag især ved aluminium-elektrolyseovner med stor strømstyrke i alminnelighet foretrekker den såkalte Sø-derberg-ovn, så skyldes det at man ved anvendelse av denne ovnstype unngår pres-sing og brenning av et stort antall anoder, hvis dimensjoner er begrenset av disse pro-sesser, og i stedet kan utstyre ovnen med en eller høyst to store sammenhengende ano-deblokker. De fordeler som denne utform-ning av anoden byr med hensyn til den konstruktive oppbygging av den anodiske del, arbeidsmåte og betjening av ovnen, er vel kjent. Det er dessuten den fordel ved anvendelse av en eneste eller høyst to anoder pr. ovn i forhold til en ovn med mange anoder at strømmen fordeler seg jevnere over hele anodetverrsriittet og at anode-katode-avstanden på grunn av den jevnere nedbrenning av anoden innstiller seg mere jevnt over hele anodetverrsnittet. Ved anvendelse av mange anoder er det nemlig i praksis ikke mulig å innstille strømmen nøyaktig og jevnt på alle anoder og å opprettholde den samme elektrodeavstand ved alle anoder.

Denne sistnevnte fordel ved Søder-berg-ovnen sammenlignet' med ovner med ferdigbrente anoder, gjør seg særlig be-merket ved ovner hvor det anvendes strøm-styrker på over 60 000 A. Som kjent kan det i slike ovner oppstå oppstuvninger av me-tallbadet på grunn av elektromagnetiske fenomener, hvorved ovnsgangen kan bli ve-sentlig forstyrret. Erfaringsmessig blir me-talloverflaten i en ovn med mange anoder utsatt for sterkere og hyppigere lokale svingninger enn i en ovn med en eller to anoder, sannsynligvis på grunn av den lokale forskjell på elektrodeavstanden og ved at de enkelte anoder opptar strømmen på forskjellig vis. Hertil kommer at det stadig oppstår forstyrrelser i strømfordelingen ved utskiftning av oppbrukte anoder; disse forstyrrelser fremmer metalloppstuvningene. Man har riktignok metalloppstuvninger og-så i Sødérberg-ovnen, men disse er under-kastet mindre lokale og tidsmessige for-andringer på grunn av jevnere forbrenning av den ene henholdsvis de to anoder, jevnere strømfordeling over anodetverrsnittet og Søderberg-anodens mer kontinuerlige arbeidsmåte.

På grunn av de kraftigere metalloppstuvninger i ovner med mange anoder, må den midlere elektrodeavstand gjøres større enn i Søderberg-ovner med samme strøm-styrke. I førstnevnte får man av denne grunn igjen høyere badspenning uten at man dermed får større strømutbytte, for ved sterkere metalloppstuvninger oppstår erfaringsmessig en reoksydering av det me-tall som er utskilt fra katoden, hvorved strømutbyttet senkes.

Ovner med mange anoder og en strøm-styrke på 60 000 A og mere må derfor av hensyn til metalloppstuvningene drives med høyere badspenning enn Søderberg-ovner med én anode. Den fordel man har ved det mindre anodiske spenningsfall i ovner med mange anoder blir på denne må-te igjen utlignet. Ved ekstraordinært høye strømstyrker på f. eks. 80 000 eller 90 000 A er Søderberg-ovnens fordeler stadig mer fremtredende. Ovner med mange anoder må ved disse høye strømstyrker i alminnelighet drives med høyere spenninger enn Søderberg-ovner med samme strømstyrke, og man må i alminnelighet drive de først-nevnte ovner med så høye badspenninger at den fordel man oppnår ved mindre anodisk spenningsfall i disse ovner blir mer enn utlignet.

For å utnytte fordelene ved aluminiumovner med bare en eller få kontinuerlige anoder uten å oppgi den mindre elektriske motstand i ferdigbrente, pressete anoder, har man prøvet å drive aluminiumovner der to eller flere ferdigbrente pressete eller stampete kullblokker anbringes ved siden av hverandre og hvor driften blir gjort kontinuerlig ved at man setter på nye kullblokker ovenpå de gamle ettersom disse blir nedbrent, og kleber de nye fast på de gamle som er i drift. Under driften av slike kontinuerlige anoder må strømlederne heves opp i de nye kullblokkene ettersom de gamle fortæres. Dette kan først skje, når den klebemasse som binder det øvre blokklag til det nedre, er forkokset og lednings-evnen er blitt så stor at det ikke oppstår noe uheldig spenningsfall i forbindelses-fugene. Mangelen ved disse kontinuerlige anoder av ferdigbrente blokker er den at det ennu ikke er funnet noe klebemiddel som gir en absolutt pålitelig forbindelse mellom de ferdigbrente blokker og at det stadig er en risiko for at forkoksningen av klebemidlet, som i alminnelighet består av kull- og koksfinstoff og bek, ikke ér til-fredsstillende eller at kullblokkene ikke bindes tilstrekkelig fast sammen. Dette medfører høyt spenningsfall i forbindelses-fugene eller det kan forårsake at resten av de underste kullblokkene faller ned i badet.

Den foreliggende oppfinnelse vedbrører en prosess for fremstilling av en kontinuerlig anode. Ved anvendelse av denne anode i elektrolyseovner for fremstilling' av aluminium unngår man de nevnte ulemper ved de kjente ferdigbrente eller selvbrennende kontinuerlige anoder. Ifølge oppfinnelsen fremstilles en kontinuerlig anode ved sammensetning og sammenklebning av ubrente kullblokker som er presset eller stampet av en kullmasse. Driften blir kontinuerlig ved at man setter nye ubrente, pressete blokker oppå de kullblokker som allerede er i drift etter hvert som disse fortæres og kleber dem fast ved hjelp av et kullstoffholdig materiale, f. eks. Søderberg-masse. Man anvender fortrinnsvis et kullstoffholdig materiale som har lavere viskositet enn kullmassen i blokkene, dvs. et materiale som blir flytende ved lavere tempe-raturer. Et slikt materiale er lettere å anbringe i fugene mellom blokkene enn et kullstoffholdig materiale av samme eller høyere viskositetsgrad og det fyller også lettere ut eventuelle hulrom på overflaten av blokkene. Det kan i grøtet eller flytende tilstand fylles i fugene eller bres ut på oversiden av blokkene. Et kullstoffholdig materiale med samme eller høyere viskositetsgrad som f. eks. en kullmasse med samme sammensetning som den i blokkene eller med en lignende sammensetning men med lavere bekinnhold, er også anvendelig for sammenklebningen av blokkene, men må da stampes på eller mellom blokkene istedenfor å helles inn mellom eller over disse.

Sammensetningen av den kullmasse som skal anvendes ved fremstilling av anoder ifølge oppfinnelsen, tilsvarer vanlig anodemasse før brenningen, dvs. at massens innhold av bek som bindemiddel skal være ca. 16 til 20 %.

Eksempler på masse for blokkanoder.

1) Masse bestående av rundt regnet 70 % bekkoks og 30 % stenkullkoks av første renhetsgrad med hårdbek som bindemiddel.

a) Massens sammensetning:

b) Hårdbekets egenskaper: 2) Masse bestående av 55 % bekkoks, 30 % høytemperaturkoks fra stenkull og 15 % anodeavfall med hårdbek som bindemiddel.

a) Massens sammensetning:

b) Hårdbekets egenskaper: som ved

blokkanoder 1).

Til sammenklebning av blokkene bør det fortrinnsvis anvendes såkalt Søderberg-masse hvor bekinnholdet som kjent utgjør ca. 25 til 32 % og som har lavere viskositet enn den masse som anvendes til fremstilling av blokkene, men som forøvrig har en lignende sammensetning. Hårdbek alene kan også komme i betraktning.

Eksempler på masse for Søderberg- anoder. 1) Søderberg-masse bestående av rundt regnet 70 % bekkoks og 30 % stenkullkoks av første renhetsgrad med. middels hårdbek som bindemiddel:

a) Massens sammensetning:

b) Bekets egenskaper: b) Søderberg-masse bestående av bekkoks med hårdbek som bindemiddel:

a) Massens sammensetning:

b) Hårdbekets egenskaper:

Anoder ifølge oppfinnelsen blir fortrinnsvis satt sammen av minst to blokker av kullmasse som blir anordnet ved siden av hverandre. Hele paketen omgis av en jernramme som den kan gli opp og ned igjennom. Før man setter på neste blokk - lag, blir det lagt Søderberg-masse på det underste laget, hvorved lagene klebes sammen. Hensiktsmessig horisontal avstand mellom kullblokkene er 5 til 20 mm. Disse fuglene fylles også med Søderberg-masse.

Strømtilførselen til anoden skjer best ved hjelp av vertikale kontaktbolter som fortrinnsvis kan være av stål. Boltehullene består f. eks. av halvsylindriske utsparinger på motsvarende vertikalflater av to og to kullblokker som ligger ved siden av hverandre. De to halvrunde utsparinger danner et gjennomgående hull når like kullblokker er satt ovenpå hverandre. Hullets diameter bør vær 20 til 50 mm større enn boltetverr-snittet. Disse halvrunde utsparingene lages under pressingen eller stampingen av kullblokkene. Mellomrommet mellom bolten og boltehullsveggen fylles med Søderbergmas-se. Hullet kan også anbringes i selve blok-ken f. eks. ved innføring av en tapp under pressingen.

Boltene må heves i anoden ettersom denne fortæres, slik at boltespissen stadig befinner seg i den del av anoden hvor kullmassen er forkokset på grunn av ovnsvarmen.

Som strømbolter kan også anvendes splittete rør eller rør som består av to halvsylindriske deler. Man presser da en metall-stang e.l. inn i rørene, slik at rørseksjonene tvinges fra hverandre. Før man hever boltene, blir det metalliske innlegg fjernet, hvorved boltene lettere lar seg løsne fra anoden.

Selvfølgelig kan det også anvendes bol-ter som ikke har rundt, men f. eks. kvadra-tisk tverrsnitt.

Ved igangsetning av ovner som er utstyrt med anoder ifølge oppfinnelsen, må man i det underste blokklag benytte blokker hvis nedre del er brent ferdig utenfor ovnen, mens den øvre del forblir ubrent.

Igangsetning av ovner med anoder iføl-ge oppfinnelsen kan også skje på samme måte som ved ovner med Søderberg-anoder. Her anbringes som kjent ledende elementer mellom spissen av strømlederne som rager ned i Søderberg-massen, og ovnsbunnen som anoden hviler på, for å etablere en ledende forbindelse mellom strømlederne og ovnsbunnen, da den ubrente Søderberg-masse ikke leder strøm. Disse forbindelses-elementer kan være av jern, kull eller gra-fitt. På grunn av den varme som utvikles i disse elementer under strømgjennomgan-gen, blir Søderberg-massen som ligger mellom spissen av strømlederne og ovnsbunnen litt etter hvert forkokset! på denne måte startes forkoksningen av Søderberg-anoden.

På samme måte kan man ved nyinstal-lerte anoder ifølge oppfinnelsen anbringe elementer mellom spissene av strømlederne og ovnsbunnen. Ved anvendelse av denne oppstartningsmåte kan også det underste lag bestå av ubrente blokker.

Vedlagte tegning viser et eksempel på en aluminiumsovn som er utstyrt med en anode ifølge oppfinnelsen.

■Fig. 1 viser ovnen dels fra siden, dels i snitt og fig. 2 viser ovnen sett ovenfra, den øvre del med strømtilførselen er dog utelatt. 1 er en kullforet ovnspotte, hvis kon-struksjon er kjent og ikke utgjør noen del av oppfinnelsen. Anoden ifølge oppfinnelsen er sammensatt av kullblokkene 2; fugene 3 er fylt med Søderberg-masse. Hele kullpaketen blir holdt sammen av jern-rammen 4, hvis opphengning ikke er vist. Under bruken glir anoden ned gjennom rammen. Strømlederne er runde stålbolter 5, hvorav bare en er vist i fig. 1. Disse be-handles på vanlig måte.

I det foreliggende eksempel er blokkene bare forskjøvet vannrett i forhold til hverandre. Det er imidlertid også mulig å for-skyve dem loddrett i forhold til hverandre.

I anodens nedre del er de sammenkle-bete blokker brent under påvirkning fra ovnsvarmen og Søderberg-massen er forkokset, mens den øvre del av blokkene er ubrent og Søderberg-massen rå.

Anoden er som nevnt, bygget opp av ubrente kullblokker 2, hvor de nedre og øvre blokklag er klebet sammen med Sø-derberg-masse, dessuten er vertikalfugene mellom blokkene fylt med Søderberg-masse. I det underste lag anvendes blokker hvis underste halvdel er ferdigbrent på for-hånd. Så blir strømlederne, boltene 5, ført så langt ned i anodepaketen at spissen befinner seg i den ferdigbrente sone i det underste blokklag og mellomrommet mellom bolten og boltehullsveggen fylles med Søderberg-masse.

Når strømmen er satt på, ledes denne fra spissen av bolten ned i den ferdigbrente sone i det underste blokklag og derfra ned i badet. Ettersom det underste blokklag forbrukes og anoden senkes, forkokses de høy-ereliggende soner i anoden, og når brenningen er kommet langt nok, vil også kle-bemassen mellom kullblokkene forkokses.

Etter en fullstendig forkoksning av kle-bemassen har man ikke bare oppnådd tilstrekkelig elektrisk, men også den nødven-dige mekaniske forbindelse mellom det ne-dres og øvre blokklag og boltene kan heves til en stilling som svarer til den underste forkoksete sone i det øvre blokklag.

Forsøk i ovner med slike kontinuerlige anoder av ubrente pressete kullblokker har vist at ubrente kullblokker med Søder-berg-masse som klebemiddel, som forkokses samtidig med blokkene, forbinder seg meget effektivt med hinannen, slik at man har full garanti for en god mekanisk og elektrisk forbindelse mellom det medre og øvre blokklag. Spenningsfallet i forbindelsesfu-gene er knapt høyere enn i blokkens brente del. En avsmuldring av blokkrester på un-dersiden av anoden som ofte forekommer i ovner med kontinuerlige blokkanoder av hittil kjente typer, forekommer ikke i ovner med kontinuerlige anoder ifølge oppfinnelsen.

Under forkoksningen av kullblokkene forekommer det ved fremgangsmåten iføl-ge oppfinnelsen ingen utflytning av blokkene i anoden slik som er tilfelle i Søder-berg-ovner. På grunn av mindre bekinnhold mykner blokkene uten i det vesentlige å miste sin form. Forsøk har vist at de ubrente blokker under forkoksningen inn-går en meget effektiv forbindelse med den Søderberg-masse som er anbragt i vertikalfugene mellom blokkene.

Ovner med blokkanoder ifølge oppfinnelsen har sammenlignet med Søderberg-ovner den fordel at de har mindre anodisk spenningsfall, da de utnytter den større ledningsevne som de pressete blokker har, mens de har samme fordel som Søderberg-ovnene ved at de tillater en drift med lavere badspenning. Det er derfor mulig å drive ovner med anoder ifølge oppfinnelsen med en samlet spenning som ligger 0,15 til 0,3 V lavere enn i Søderberg-ovner. På denne måte oppnås i ovner ifølge oppfinnelsen ecn innsparing i energiforbruket på 0,5 til 1 kWh/kg aluminium sammenlignet med Sø-derberg-ovner.

Ovner med blokkanoder ifølge oppfinnelsen har dessuten den fordel fremfor Søderberg-ovner at man ved anvendelse av ubrente blokker til oppbygging av anoden, sparer den meget kostbare brenningsprosess av anoden før denne settes i drift.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved drift av ovner for elektrolytisk fremstilling av aluminium i bad som inneholder smeltede fluorider, under bruk av selvbrennende kontinuerlige anoder som på kjent måte kan forskyves i vertikal retning, og som består av mekanisk pressede regelmessig formete kullblokker, som er klebet sammen av et kullstoffholdig bindemiddel, med metallbolter for strømtilførselen, karakterisert ved at kullblokkene bortsett fra anodens nederste del er ubrente, og at det, etterhvert som den nederste allerede brente del av anoden forbrukes, på den øverste ennå ubrente del av anoden periodisk og uten avbrytelse av ovnsdriften legges ubrente kullblokker av samme art som foran angitt, og som i det vesentlige beholder sin form når de etterhvert brennes på grunn av ovnsvarmen, idet det såvel mellom den nevnte øverste del av anoden og de på denne anbragte blokker som mellom disse blokker innbyr-des anvendes et kullstoffholdig bindemiddel.

2. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, kjennetegnet ved at det til sammenklebningen anvendes en kullstoffholdig masse med lavere viskositet enn kullmassen i de ubrente blokker.

3. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, kjennetegnet ved at den kullstoffholdige masse som anvendes til klebningen, består av en kullmasse med 24 til 35 % stenkull-tjærebek som bindemiddel.

4. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, kjennetegnet ved at den kullstoffholdige masse som anvendes til klebningen, er den kullmasse som vanligvis anvendes til Sø-derberg-anoder.