NO128828B

NO128828B -

Info

Publication number: NO128828B
Application number: NO04737/71A
Authority: NO
Inventors: P Aeschbach; K Etzel
Original assignee: Alusuisse; Sigri Elektrographit Gmbh
Priority date: 1971-02-04
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1974-01-14
Also published as: CH561784A5; JPS5526195B1; DE2105247C3; CA968745A; GB1362933A; DE2105247B2; AT316887B; DE2105247A1; FR2124516B1; FR2124516A1; NL7201310A; IT947222B; US3764509A

Description

Ovn for smelteelektrolyse av aluminium. Furnace for melting electrolysis of aluminium.

Oppfinnelsen vedrører en ovn for smelteelektrolyse av aluminium med et ovnskar av stål og en katode som består av flere karbon-, hardgrafitt- eller grafittblokker anordnet i et hovedsakelig horisontalt plan og forsynt med spor til å oppta strømskinner. The invention relates to a furnace for melting electrolysis of aluminum with a furnace vessel made of steel and a cathode consisting of several carbon, hard graphite or graphite blocks arranged in a mainly horizontal plane and provided with grooves for receiving current rails.

Brukbarheten av katoder for smelteelektrolyse av aluminium er foruten ved deres elektriske egenskaper bestemt ved deres bestandighet overfor elektrolytt og metallsmelte. Kjente katoder består av et an-tall parallellepipediske blokker av et karbon- eller grafittholdig materiale som i et ovnskar blir sammensatt til en hovedsakelig plan bunn, samtidig som fugene mellom blokkene blir utstampet eller utstøpt med kittmasse. Katoden og fremfor alt fugemassen har et tilgjengelig porevolum av en størrelsesorden på 20-30%, som elektrolytt og smelte trenger inn i under ovnens drift. Bestanddeler av elektrolytten og smelteflytende aluminium reagerer ved driftstemperaturen med karbon resp. grafitt, hvorunder der først og fremst dannes aluminiumkarbid og innleiringsforbindelser. Reaksjonsproduktene oppviser et større volum enn reaksjonskomponentene, slik at der i katoden vil oppstå strekkspenninger som bare delvis blir opptatt av ovnskaret. De mekaniske spenninger fører til slutt til kasting og buling av katodeover-flaten, noe som gjør det nødvendig å øke avstanden mellom anode og katode for å unngå kortslutninger. Økningen av avstanden betinger en høyning av spenningsfallet og et dårligere strømutbytte, og endelig må større metallmengder holdes tilbake i cellen for å opprettholde elektrolysen. D§n tiltagende deformasjon av katoden kan føre til at enkelte av blokkene hever seg, og også forårsaker sprekkdannelse, fremfor alt i fugemassen, så det til slutt blir nødvendig å frakoble elektrolysecellen og avrette bunnen på ny. The applicability of cathodes for melt electrolysis of aluminum is determined, in addition to their electrical properties, by their resistance to electrolyte and molten metal. Known cathodes consist of a number of parallelepiped blocks of a carbon or graphite-containing material which are assembled in a furnace vessel into a mainly flat bottom, at the same time that the joints between the blocks are stamped out or cast with putty. The cathode and above all the sealant has an available pore volume of the order of 20-30%, into which electrolyte and melt penetrate during the operation of the furnace. Components of the electrolyte and molten aluminum react at the operating temperature with carbon or graphite, under which aluminum carbide and embedding compounds are primarily formed. The reaction products have a larger volume than the reaction components, so that tensile stresses will arise in the cathode which are only partially taken up by the furnace vessel. The mechanical stresses eventually lead to throwing and bulging of the cathode surface, which makes it necessary to increase the distance between anode and cathode to avoid short circuits. The increase in distance results in an increase in the voltage drop and a poorer current yield, and finally larger amounts of metal must be retained in the cell to maintain the electrolysis. The increasing deformation of the cathode can cause some of the blocks to rise, and also cause cracking, above all in the grout, so that it eventually becomes necessary to disconnect the electrolysis cell and level the bottom again.

Det er blitt foreslått å unngå deformasjonen av katoden til en viss grad ved at man istedenfor karbon og grafitt til oppbygging av katoden bruker materialer som i det vesentlige er bestandige overfor smeltet aluminium og elektrolytt. For eksempel er det fra tysk ut-legningsskrift nr. 1 533 439 kjent å bygge opp katoden av flere skikt, hvorav slike som vender mot badet, inneholder hardmetaller som for eksempel borider, nitrider og karbider av aluminium. Slike katoder, som under elektrolysen skal ha en utvidelse mindre enn ca. 3%, er imidlertid meget kostbare. It has been proposed to avoid the deformation of the cathode to a certain extent by using materials which are essentially resistant to molten aluminum and electrolyte instead of carbon and graphite to build up the cathode. For example, from German publication no. 1 533 439 it is known to build up the cathode from several layers, of which those facing the bath contain hard metals such as borides, nitrides and carbides of aluminium. Such cathodes, which during electrolysis must have an expansion smaller than approx. 3%, however, are very expensive.

Sluttelig er der fra US patentskrift nr. 3 110 660 kjent en katodestruktur til elektrolyse av aluminium, hvor karbonblokkene er anordnet i form av en omvendt hvelvbue. Da katodens overflate ikke er plan, tiltar høyden av aluminiumsmelten fra randen mot sentrum, hvorved de magnetiske effekter som virker forstyrrende, særlig ved høyt belastede ovner, blir forsterket. Dessuten er strømskinnene ved anordningen ifølge patentskriftet anordnet nedenfor karbonblokkene, og der er derfor anordnet en ekstra metallbunn til å gi liten over-gangsmotstand mellom strømskinner og blokker. Finally, from US patent no. 3 110 660 a cathode structure for the electrolysis of aluminum is known, where the carbon blocks are arranged in the form of an inverted arch. As the surface of the cathode is not flat, the height of the aluminum melt increases from the edge towards the centre, whereby the magnetic effects which are disruptive, particularly in highly loaded furnaces, are amplified. In addition, the power rails of the device according to the patent document are arranged below the carbon blocks, and there is therefore arranged an additional metal base to provide little transition resistance between the power rails and blocks.

Norsk patentskrift nr. 105 639 viser en skålformet anordning av karbonblokker i forbindelse med et sirkelrundt katodetverrsnitt, hvor strømmen tilføres via et skikt av karbon- eller grafittmasser anordnet nedenfor blokkene. Foruten de ovenfor omtalte ulemper betinger den forholdsvis store elektriske motstand av denne masse et større katodisk spenningsfall. Norwegian patent document no. 105 639 shows a bowl-shaped arrangement of carbon blocks in connection with a circular cathode cross-section, where the current is supplied via a layer of carbon or graphite masses arranged below the blocks. In addition to the disadvantages mentioned above, the relatively large electrical resistance of this mass results in a greater cathodic voltage drop.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave i stor utstrekning å unngå kasting og buling av katoden, å garantere en jevn katodeover-flate, selv etter lang driftstid, og å forlenge brukstiden for katoder som består av karbon-, hardgrafitt- eller grafittblokker. The invention is based on the task to a large extent to avoid throwing and bulging of the cathode, to guarantee a smooth cathode surface, even after a long operating time, and to extend the service life of cathodes consisting of carbon, hard graphite or graphite blocks.

Oppgaven er i henhold til oppfinnelsen løst ved at blokkene According to the invention, the task is solved by the blocks

av karbon, hardgrafitt eller grafitt ved en ovn av den innledningsvis nevnte art er anordnet gjensidig fastkilende i ovnskaret. Den gjensidig fastkilende anordning ifølge oppfinnelsen blir oppnådd ved at av de fire side-begrensningsflater for en blokk skråner minst to mot-stående flater mot hinannen, m.a.o. vil blokken i det minste ha ett trapesformet tverrsnitt, og trapesets øvre side, som vender mot badet, vil være kortere enn den parallelle side ved foten av blokken. of carbon, hard graphite or graphite in a furnace of the type mentioned at the outset are arranged mutually wedging in the furnace vessel. The mutually wedging device according to the invention is achieved by at least two of the four side limiting surfaces for a block sloping towards each other, i.e. the block will have at least one trapezoidal cross-section, and the trapezoid's upper side, which faces the bathroom, will be shorter than the parallel side at the base of the block.

Ifølge en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen utgjør fugebredden mellom to og to blokker mindre enn 1 mm. According to an advantageous embodiment of the invention, the joint width between two blocks is less than 1 mm.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er der anordnet According to a further feature of the invention there is arranged

et komprimerbart skikt av et porøst materiale mellom karbon-, hardgrafitt- eller grafittblokkene og ovnskaret. a compressible layer of a porous material between the carbon, hard graphite or graphite blocks and the furnace vessel.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er det fordelaktig å anvende katodeblokker av grafitt og/eller hardgrafitt i midten av ovnskaret og katodeblokker av karbon ved kanten av karet. According to a further feature of the invention, it is advantageous to use cathode blocks of graphite and/or hard graphite in the middle of the furnace vessel and cathode blocks of carbon at the edge of the vessel.

Takket være den gjensidig fastkilende anordning av katode-blokkene ifølge oppfinnelsen blir de mekaniske spenninger som skyldes varmeutvidelse og kjemiske reaksjoner, fordelt over katodebunnen og for en stor del opptatt av blokkene. Man unngår fullstendig at enkelte blokker ved dannelse av sprekker i fugemassen løsner fra forbandet. Thanks to the mutually wedging arrangement of the cathode blocks according to the invention, the mechanical stresses caused by thermal expansion and chemical reactions are distributed over the cathode base and are largely taken up by the blocks. It is completely avoided that individual blocks become detached from the joint when cracks form in the joint compound.

På grunn av de smale fugene ifølge oppfinnelsen blir for det første kraftoverføringen mellom blokkene forbedret, og for det annet blir den totale utvidelse av katoden redusert ved minskningen av andelen av spesielt reaksjonsvillig fugemateriale. Due to the narrow joints according to the invention, firstly, the power transfer between the blocks is improved, and secondly, the total expansion of the cathode is reduced by the reduction of the proportion of particularly reactive joint material.

Det ovennevnte komprimerbare skikt som ifølge oppfinnelsen er anordnet mellom karbon-, hardgrafitt- eller grafittblokkene og ovnskaret, tillater til en viss grad en fri utvidelse av karbonstenskiktet. Ved denne "flytende" anordning blir oppbyggingen av mekaniske spenninger i det monolittiske karbonstenskikt for en vesentlig del for-hindret. Effekten blir ytterligere forsterket hvis bunnen av ovnskaret er forbundet med ovnens fundament via ekspansjonsfuger, som da fortrinnsvis er forsynt med gassugjennomtrengelige tetninger. Komprimerbare porøse skikt i samsvar med oppfinnelsen er for eksempel ild-faste Stener som smuldrer under trykkspenninger, ballast av ildfast materiale eller plastiske karbonholdige masser. The above-mentioned compressible layer which, according to the invention, is arranged between the carbon, hard graphite or graphite blocks and the furnace vessel, allows a free expansion of the carbon stone layer to a certain extent. With this "floating" device, the build-up of mechanical stresses in the monolithic carbon stone layer is largely prevented. The effect is further enhanced if the bottom of the oven tray is connected to the oven's foundation via expansion joints, which are then preferably provided with gas-impermeable seals. Compressible porous layers in accordance with the invention are, for example, refractory stones that crumble under compressive stresses, ballast of refractory material or plastic carbonaceous masses.

Ved anvendelse av katodeblokker med forskjellig varmelednings-evne blir temperaturfordelingen i katoden utjevnet så man unngår mekaniske spenninger mellom blokkene. For eksempel ligger varmeled-ningsevnen for karbonblokker på 3 til 15 kcal/mhgrd, for hardgrafittblokker på 20 til 40 kcal/mhgrd og for grafittblokker på 60 til 160 kcal/mhgrd. When using cathode blocks with different thermal conductivity, the temperature distribution in the cathode is equalized so that mechanical stresses between the blocks are avoided. For example, the thermal conductivity for carbon blocks is 3 to 15 kcal/mhgrd, for hard graphite blocks from 20 to 40 kcal/mhgrd and for graphite blocks from 60 to 160 kcal/mhgrd.

Fordelene ved oppfinnelsen ligger særlig i at der ikke inntrer buling av bunnen under driften av ovnen og spenningsfallet forblir uforandret selv etter lengre tids drift. Den katodiske strømfordeling er jevnere enn ved kjente anordninger, så der fås et bedre strøm-utbytte. Mens driftstiden uten utskiftning ved ovner for aluminium-elektrolyse med kjente katoder ligger på et gjennomsnitt av ca. The advantages of the invention lie particularly in the fact that there is no bulging of the bottom during the operation of the oven and the voltage drop remains unchanged even after a longer period of operation. The cathodic current distribution is more even than with known devices, so a better current yield is obtained. While the operating time without replacement for furnaces for aluminum electrolysis with known cathodes is an average of approx.

1200 dager, går den med katoder ifølge oppfinnelsen opp i minst 2500 dager. 1200 days, with cathodes according to the invention it lasts for at least 2500 days.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen er anskueliggjort på tegningen og vil bli beskrevet nærmere i det følgende. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below.

Fig. 1 viser tverrsnitt av en katode for smelteelektrolyse av aluminium, og Fig. 1 shows a cross-section of a cathode for melting electrolysis of aluminium, and

fig. 2 viser anordningen av karbon- og grafittblokker på en strømskinne. fig. 2 shows the arrangement of carbon and graphite blocks on a power rail.

Bunnen og veggene av ovnskaret 1 har en muret foring av sjamottesten 2. 3 betegner et porøst komprimerbart skikt bestående av koks- og grafittpulver og et termoplastisk bindemiddel. På dette skikt 3 er der anbragt gjensidig fastkilende hardgrafittblokker 4 i sentrum av ovnskaret og karbonblokker 5 langs randsonen av ovnskaret, samtidig som vinkelen mellom vertikalplanet og kontaktflatene mellom to og to blokker tiltar med økende avstand fra sentrum av ovnskaret. Den derved oppnådde gjensidige sammenkiling av blokkene og den gunstige forankring av blokkradene med randstenene gir en fugeeffekt som forhindrer buling av bunnen og hevning av de enkelte blokker. Hardgrafitt- og karbonblokkene er utført med spor som strømskinnen 8 er plasert i. Mot ovnskarets sidebegrensninger er blokkforbandet av-støttet ved randstenene 6, som likeledes består av karbon. Avstanden mellom to og to blokker utgjør ca. 0,8 mm, og fugen 7 er utfylt med en karbonholdig kittmasse. The bottom and walls of the furnace vessel 1 have a masonry lining of the chamotte test 2. 3 denotes a porous compressible layer consisting of coke and graphite powder and a thermoplastic binder. On this layer 3, mutually wedging hard graphite blocks 4 are placed in the center of the furnace bowl and carbon blocks 5 along the edge zone of the furnace bowl, at the same time that the angle between the vertical plane and the contact surfaces between two blocks increases with increasing distance from the center of the furnace bowl. The thereby achieved mutual wedging of the blocks and the favorable anchoring of the block rows with the curb stones provides a joint effect that prevents bulging of the bottom and lifting of the individual blocks. The hard graphite and carbon blocks are made with grooves in which the busbar 8 is placed. Against the side limits of the furnace tray, the block connection is supported by the edge stones 6, which are also made of carbon. The distance between two blocks is approx. 0.8 mm, and the joint 7 is filled with a carbonaceous putty.

I fig. 2 er blokkene 4 og 5 vist ridende på strømskinnen 8. Spalten 9 mellom skinne og blokker er utstøpt med et metall eller utstampet med en karbonholdig masse. Ved en foretrukken utførelse oppviser blokkene to i forhold til vertikalplanet skrånende flater som er gjennombrutt av strømskinnen, og to vertikale sidebegrensnings-flater som løper parallelt med strømskinnen. Ved denne anordning blir spesielt monteringen av katoden lettet. In fig. 2, the blocks 4 and 5 are shown riding on the power rail 8. The gap 9 between the rail and the blocks is cast with a metal or stamped with a carbonaceous mass. In a preferred embodiment, the blocks have two inclined surfaces in relation to the vertical plane which are broken by the busbar, and two vertical side limiting surfaces which run parallel to the busbar. With this arrangement, the installation of the cathode is particularly facilitated.

Claims

1. Furnace for melting electrolysis of aluminum with a furnace vessel of steel and a cathode consisting of several carbon, hard graphite or graphite blocks arranged in a mainly horizontal plane and provided with grooves to receive current rails, characterized in that carbon, hard graphite or the graphite blocks are arranged mutually wedged in the furnace vessel.

2. Oven as specified in claim 1, characterized in that each block has at least one trapezoidal cross-sectional surface.

3. Kiln as stated in claim 1, characterized by the fact that the joint width between two blocks is less than 1 mm.

4. A furnace as stated in one of claims 1-3, characterized in that a compressible layer consisting of a porous material is placed between the furnace bowl and the carbon, hard graphite or graphite blocks.

5. Furnace as stated in one of claims 1-4, characterized in that the blocks in the middle of the furnace bowl consist of graphite and/or hard graphite and the edge blocks of carbon.