NO134706B - - Google Patents

Abstract

Karbonanode til bruk ved fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en karbonanode til bruk ved fremstilling av aluminium og hvis overflate er forsynt med et belegg som hemmer oksydasjon av anodematerialet.

Det katodisk forbundete kar i en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium, inneholder smeltet aluminium samt en elektrolytt som flyter ovenpå aluminiumet og inneholder aluminiumoksyd. På den side av elektrolytten som er vendt mot den ytre atmosfære, dannes det en fast skorpe, som i sin tur dekkes med et lag av alumina (aluminiumoksyd) for periodisk anrikning av elektrolytten og termisk isolering av badet i elektrolysekaret.

Anoder av et syntetisk tilvirket karbonmatérial er ført gjennom det nevnte alumina-lag og skorpen og strekker seg ned i elektrolytten for tilførsel av den elektriske strøm som vedlikeholder elektrolyseprosesser Skorpen og det aluminiumsoksyd som anbringes ovenpå denne, slutter

seg vanligvis ikke tett rundt anodeomkretsen, men danner et gap rundt anodens omkrets på grunn av gassutslipp og andre påvirkninger. For anrikning av elektrolytten med aluminiumoksyd, brytes skorpen

i med jevne mellomrom. De gasser som utvikles ved elektrolyseprosessen, og som hovedsakelig stiger opp gjennom sprekkene rundt anodenes omkrets, danner ovenfor elektrolysebadet en blanding med den omgivende luft, og denne blanding virker nedsettende på den maksimalt oppnåelige levetid for anodene. Forbruket av anodematerial under elektrolysecellens drift er kjent under betegnelsen "avbrenning" og utgjøres av en primær og en sekundær avbrenning som er basert på hver sin oksydasjonsprosess, som for foreliggende formål vil bli betraktet hver for seg.

Under den primære avbrenning angriper det oksygen som frigjøres fra aluminiumoksydet under smelteelektroden, karbonmaterialet i anoden, således at det dannes en gassblanding av karbondioksyd og karbon-monoksyd, som stiger opp fra elektrolysebadet. Denne reaksjon, som bevirker den største del av avbrenningen, foregår eksotermisk med oppvarmriirig 'av elektrolytten og nedsetning av den nødvendige tilførte energi for elektrolysearbeidet. Denne primære avbrenning kan ikke unngås ved karbonanoder.

Oppfinnelsen angår imidlertid midler for påvirkning av den oksydasjonsprosess som. frembringer sekundæravbrenningen av anoden, og som innvirker skadelig på cellens økonomiske drift.

■ -;>V

Badets temperatur, hvilket vil si temperaturen av elektrolytten i katodekaret, ligger omkring 950 til 980°C, og denne varmekilde overfører en del av sitt varmeinnhold til karbonallodene, således at det opptrer en temperaturgradient mellom den side. av anoden som < vender mot badet og den .side som vender bort f ra.badet. Tilsvarende;;

den varme som tilføres/anodene, vil anodeoverflat.ene oppvise en

temperaturgradient mellom' et temperaturmaksimum på 980°C og en laveste verdi på 400°C. Den del av anoden som strekker seg godt over badet', omgis av en..gassblanding som inneholder/luft fra elektrolysehallen og gasser som stiger opp fra cellen, idet disse gasser ved',den foreliggende anodetemperatur påvirker anoden på

'oksydérenae måte, og bevirker således en raskere avbrenning av denne.

De avbrérihingsreaksjoner, som herunder finner sted,/.frembringer,

i motsetning til den oksydasjonsprosess som frembringer den primære avbrenning, intet bidrag'til badets oppvarming og dérmed til nevnte energiréduksjon, men bevirker i stedet uproduktivt tap av karbon, som 'kan""oppgå til 8% av det totale forbruk av anodematerial.

i.".-" '^ S^ ¥\. '.V'

For å redusere de tap som.; oppstår ved sekundær avbrenning, er det kjent å forsyne anodene méd et belegg på sine øvre -.sideflater, når anodene^ består av karbon og er beregnet for nedsenkning i en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium. Ut fra det krav at beleggmaterialet ikke må forurense elektrolytten-og dermed det elektrolytisk.utskilte, aluminium, anvendes i henhold til kjent teknikk aluminium som beleggmaterial, hvilket kan.påføres ved sprøytning eller støpning. Forskjellige ulemper foreligger imidlertid ved belegg av denne type. Påsprøytete aluminiumsbelegg fremstilles i'en tykkelse mellom 0,3 og 0<;>,5 mm, mens støpte belegg har en tykkelse på minst 1 cm, men fortrinnsvis flere cm, hvilket multiplisert med deri,totale overflate for alle anoder i cellen, gir et totalvolum, som betraktet som en kontinuerlig..sirkulerende metall-mengde, er uforholdsmessig stort i forhold til den fremstilte mengde av råaluminium i cellen. Den mest fremtredende ulempe ligger imidlertid i det forhold at aluminiumsbelegget smelter langs en isoterm på omkring 650°C på anodeoverflåtene, således at hver anodeoverflate vil få en nedre frilagt sone med en høyde på flere cm mellom badet og denne isoterm på omkring 650°C, hvorved nevnte sone fritt vil bli utsatt for oksyderende angrep fra den omgivende gassblanding. Selv om aluminiumbelegget, når det smelter bort, vil etterlate et innenforliggende naturlig aluminiumoksydskikt, vil dette skikt også tæres bort, idet det hefter dårlig eller i det hele tatt til karbonoverflaten. En effektiv beskyttelse mot avbrenning kan således ikke sikres på denne måte.

Det er videre også kjent å forsyne karbon-elektroder med et keramisk overtrekk på basis av finfordelt aluminiumoksyd som før innbrenningen av anoden valses eller hamres inn i anodeoverflaten. Under innbrenningen oppnås imidlertid ikke på langt nær smelte-punktet for aluminiumoksyd. Oksydkornene kan derfor ikke sammen-smelte innbyrdes, og overtrekket vil følgelig ikke være tett.

Endelig er det kjent å påføre et overtrekk av aluminium med et oksydinnhold på 1 - 10% på en elektrode ved at flytende aluminium innføres i en rettet luftstrøm, således at det dannes et oksydskikt på aluminiumdråpenes overflate. Ved denne fremgangsmåte er det av vesentlig betydning at et aluminiumoksydinnhold på 10% ikke overskrides, da dette vil medføre forbrenning av.karbonanoden. Med et lavere innhold av aluminiumoksyd vil imidlertid lett ovenfor omtalte ulempe ved et rent aluminiumovertrekk opptre.

Som angitt ovenfor kan den sekundære avbrenning utgjøre opptil 8%

av det totale karbonforbruk ved en gitt mengde fremstilt aluminium. Hvis det skal oppnås økonomisk fordel ved eliminasjon av den sekundære avbrenning, må de omkostninger som anvendes for dette formål holdes innenfor rammen av den ovenfor angitte del av karbonomkostningene.

Oppfinnelsen er basert på dette grunnlag, og dens formål er å fremskaffe et elektrodebelegg som er nøytralt overfor omgivelsene og ikke smelter ved de foreliggende driftstemperaturer, for overtrekk av en karbonanode beregnet for smelteelektrolyseved fremstilling av :•..•>•'/>:••*.- • ■ v*. • ....... •aluminium. Herunder er det et vesentlig trekk at det nødvendige "materialforbruk for fremstilling av nevnte belegg medfører minimale ulémper i forhold til de fordeler som oppnås ved eliminering av sekuhdær-avbrenningen.

Dette formål oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at belegget utgjøres av flammepåsprøytete materialpartikler på basis av aluminiumoksyd, idet de enkelte partikler i det minste delvis er innbyrdes sammenføyet ved størkning på stedet.

For-fremstilling av et sådant belegg, oppvarmes de materialpartikler som .-skal utgjøre belegget fortrinnsvis i en gass-stråle ved høy.

temperatur'i det minste til plastisk tilstand og fortrinnsvis til

smeltet tilstand, samtidig som partiklene ved hjelp av denne gass-stråle slynges mot den overflate som skal belegges. De smeltete måterialdråper størkner så etter tur på overflaten som skal belegges, etter at de har kommet i innbyrdes kontakt og i større eller mindre grad er sammensmeltet. De enkelte aluminiumoksyd-partikler som har blitt mer eller" mindre sammenklemt ve& anslaget mot overflaten, kan imidlertid fremdeles vanligvis skilles fra hverandre ved betraktning av belegget under sterk forstørrelse.

Det.raskt avkjølte aluminiumoksydagglomerat som fremkommer på denne måt'e..befinner seg krystallografisk hovedsakelig i gammamodifikasjonen. Enhver ovérhetning av det påførte belegg bør unngås, fordi gamma-modif ikasjonen da etterhvert vil gå over i alfa-modifikasjonen, som i drift oppviser den ulempe at, hvis den foreligger i for stor mengde i belegget,- ikke vil kunne oppløses i kryolitt-elektrolytten bg

således vil lede til dannelse av bunnskorpe.

På grunn av materialets høye smeltepunkt og det kraftige temperatur-fall ved størkningen, samt også på grunn av overflatéruheten -for det underliggende karbonlegemet, kan det hende at de innfallende enkelte snieltedråper ikke forener seg i tilstrekkelig grad med de allerede påførte dråper, sålédes at det derved oppstår mellomrom, eller at som en følge av den meget raske størkning og de derved frembragte indre påkjenninger, vil dannes sprekker inne i eller i mellom de enkelte størknete ko.rn, hvilket i sin tur kan f øre til en viss porøsitet av belegget. Denne porøsitet kan, når anoden er i drift, lede til en begrenset sekundær avbrenning. For å eliminere denne effekt på grunnlag av statistisk stengning av porene, bør belegget fortrinnsvis ha en tykkelse på 0.1 til 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm.

Som utgangsmaterial ved fremstilling av belegget, kan det ganske enkelt anvendes vanlig industrielt alumina (aluminiumoksyd), av samme art som det material som tilføres elektrolysecellen.

Det er imidlertid mulig å tilsette en liten mengde flussmiddel, f.eks. kryolitt, til denne aluminiumoksyd, i den hensikt å senke oksydens smeltepunkt eller å fremskaffe et bredere smelteområde, hvilket vil muliggjøre en bedre innbyrdes sammenføyning av de smeltete dråper i belegget, og således også av de derved størknete partikler, hvilket vil medføre nedsetning av porøsiteten. Det er også mulig å tilføre': et pulver hvis enkelte korn allerede inneholder den ønskete tilstats, som er tilført ved en forutgående tilvirknings-prosess.

I henhold til en ytterligere fordelaktig utførelse av oppfinnelsen, kombineres nevnte belegg med et metallskikt. For enkelthets skyld vil et belegg med i det minste en hovedandel av aluminiumoksyd,

bli betegnet som et keramisk belegg.

Materialer som kan komme i betraktning for anvendelse som metallisk belegg, er rent eller legert metall som kan tillates i forbindelse med det aluminium som utskilles elektrolytisk i cellen, samt videre fortrinnsvis har den egenskap at materialet fukter keramikkbelegget i en viss grad når det foreligger i flytende tilstand. For dette formål er rent aluminium særskilt vel egnet. Et sådant metall-lag kan påføres ved hjelp av en hvilken som helst hensiktsmessig fremgangsmåte,f-eks. ved flammesprøytning, og bør derved uten vanskeligheter kunne holdes fritt for porer.

Metall-laget kan enten anordnes under eller ovenpå keramikklaget, el^er belegget kan også utgjøres av flere adskilte keramikklag og metalliske lag påført avvekslende ovenpå hverandre.

I drift fungerer en anode med et sådant kombinert belegg påført

på følgende måte:

På de deler av den øvre anodeoverflate som har temperaturer under metallets smeltepunkt, vil det ugjennomtrengelige porefrie belegg virke som en fullstendig beskyttelse mot avbrenning. I de varmere soner mellom den isoterm som tilsvarer metallets smeltepunkt og badets overflate, vil metallet, f.eks. aluminiumet, smelte og ved kapillærvirkning trenge inn i porene i det keramiske skikt, hvor det delvis oksyderes under innflytelse av den omgivende oksyderende atmosfære. I denne sone lukkes således porene i det keramiske lag av oksydasjonsprodukter, dvs. f.eks. med aluminiumoksyd, som likeledes har et smeltepunkt over driftstemperaturen og således sikrer en pålitelig beskyttelse mot avbrenning. I kombinasjon med aluminium-oksydlaget utfører således aluminiumlaget en sekundær funksjon, som

ikke vil finne sted ved konvensjonelle beskyttelsesskikt av aluminium.

For dette formål vil det være tilstrekkelig med relativt tynne metall-lag, fortrinnsvis på aluminiumbasis og i en tykkelse på 0.05 til 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.1 og 0.2 mm.

Ved en ytterligere utførelse av oppfinnelsen, utgjøres belegget

av et material av cermet-type og bestående av aluminiumoksyd og aluminium påsprøytet samtidig i et innbyrdes vektforhold på 10:1 til. 2:1, hvorved i det størknete belegg de enkelte aluminiumoksyd-korn, i det minste over en del av sin ytterflate, sammensmeltes direkte, mens det metalliske aluminium vil fylle opp gapene mellom

forbindelsespunktene. Takket være sitt innhold av relativt plastisk, metallisk aluminium, vil et sådant cermet-belegg over sin totale tykkelse være mer porefritt enn flammesprøytete belegg på ren keramikkbasis. Når anoder belagt på denne måte med et cermet-' material, er i drift i en celle, vil over anodeoverflåtenes relativt kolde områder beskyttelsen mot avbrenning være sikret ved de ugjennomtrengelig metalliske bestanddeler. Over de varmere områder av overflaten, i nærheten av.badet, vil det metalliske aluminium smelte og oksyderes til aluminiumoksyd, som ugjennomtrengelig lukker de foreliggende poremellomrom.

Valg av aluminiumoksyd av industriell kvalitet for belegg på anodeoverflater, har den fordel at dette samme produkt uten videre også kan anvendes for anrikning av elektrolytten. Material-omkostningene for et sådant rent* keramisk belegg kan således nærmest anslås til null.

Ved kombinerte belegg vil det samme være tilfelle med hensyn til aluminiumoksydkomponenten, mens den aluminiumsmengde som kreves for oppfyllelse av den angitte oppgave samtidig også kan holdes på

et lavt nivå, og særskilt vesentlig mindre enn ved de kjente rene aluminiumsbelegg. Under disse forhold kan således også material-bmkostningene holdes meget lave. Det må i denne forbindelse også

tas hensyn til at det aluminium som innføres i badet sammen med belegget i nærheten av anoden, vil bli reoksydert i det minste delvis, og således må elektrolyseres på nytt. Den aluminiumsmengde som anvende? må således i praksis tas hensyn til med den foreliggende metallpris, men kan som nettopp forklart begrenses til et minimum.

Belegget av alumina og aluminium løses lett i elektrolytten, når anoden nedsenkes på kjent måte, således at det med hensyn til dette ikke vil opptre noen driftsforstyrrelser.

Karbon-anoden i henhold til oppfinnelsen skiller seg således fra tidligere kjente utførelser av lignende art ved at det på enkel og kommersielt anvendbar måte oppnås en virksom beskyttelse mot sekundæravbrenning. Det påførte beskyttelsesbelegg blir således ikke flytende og derved uvirksomt ved overskridelse av en temperatur på ca. 650°C i nærheten av badet, og belegget mister

heller ikke noen vesentlig del av sin virkning på grunn av porer

eller riss. Aluminiumoksyd-partiklene i belegget størkner på stedet og igjenfylning av eventuelle mellomrom mellom de forskjellige partikler kan sikres ved følgende tiltak: Statistisk lukking av alle porer ved å gi belegget en viss skikttykkelse.

Påføring av et aluminiumskikt utenpå keramikk-belegget.

Anordning av et aluminiumskikt mellom anodeoverflaten og keramikk-belegget.

Påføring av et cermet-skikt.

Foretrukne utførelser av oppfinnelsen og en innretning for fremstilling av belegg i henhold til oppfinnelsen, vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvori:

Fig. 1 viser en anode forsynt med et enkelt skikt,

Fig. 2-6 viser spesielle kombinerte belegg, og

Fig. 7 viser en innretning for påføring av beleggene.

For klarhetens skyld er tykkelsen av de forskjellige beskyttelses-

lag vist sterkt overdrevet i de nevnte figurer.

Fig. 1 viser en anode 10 som allerede er montert i en elektrolysecelle. Denne anode henger i sin anodestamme 11 og er med sin nedre del nedsenket i det smeltete kryolitt 12 i en smelteelektrolysecelle. Ovenpå'1 kryolitten flyter en skorpe 13 som i sin tur er dekket med et aluminalag 14 for periodisk berikelse av kryolitten 12 og regulering av cellens varmeinnhold. Vanligvis er skorpen 13 ikke i berøring méd overflaten 19 for anoden 10, således at det vil foreligge et gap 16 mellom skorpe og anode, og gjennom dette gap vil det stige opp gasser som utvikles ved smelteelektrolysen, hvorved det dannes en omgivende atmosfære som på oksyderende måte påvirker overflaten 19 av anoden 10. For beskyttelse av anodeoverflaten 19

mot de oksyderende bestanddeler av omgivelsen, er anoden 10 utstyrt med et belegg 15 av flammesprøytet aluminiumoksyd. Før anoden settes i drift påføres belegget på alle overflatedeler 19 bortsett fra de deler som skal være i kontakt med det smeltete kryolitt 12.

Ved nedsenkning av anoden i en celle, oppløser den smeltete kryolitt 12 belegget 15 i en grad som tilsvarer nedsenkningsdybden av anoden

10 i kryolitten 12, således a£ belegget bibeholdes ned til overflaten av den smeltete kryolitt 12, dvs. også i gapet 16. Ved disse midler sikres en effektiv beskyttelse i anodens varmeste overflate-sone, som utgjør området for den mest alvorlige sekundære avbrenning.

i Ved suksessiv forskyvning av anoden 10 nedover på vanlig måte for å kompensere for den primære avbrenning av karbon, smeltes belegget

gradvis, men vil hele tiden fortsatt strekke seg ned til overflaten av kryolitten. Tykkelsen av belegget 15 oppgår hensiktsmessig til mellom 0.1 og 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm. Skikt av keramiske materialer, f.eks. aluminiumoksyd, er imidlertid ikke begrenset til de gitte verdier, men kan gå utenfor disse både oppover og nedover.

Det kreves faktisk at skikttykkelsen gjøres tilstrekkelig til å

sikre, på bakgrunn av den statiske fordeling av partiklenet, at det ikke foreligger noen kontinuerlige porer som trenger igjennom hele beleggets tykkelse. De angitte verdier for tykkelsen er funnet å

være tilfredsstillende for oppnåelse av det fastlagte formål for oppfinnelsen, nemlig frembringelse av et belegg 15 som er ugjennomtrengelig for gass og er vel tilpasset den termiske utvidelse av anoden 10, for å unngå sprekkdannelser og avflakning.

I henhold til fig. 2 er et ytterligere skikt 17 påført utenpå

belegget 15 av aluminiumoksyd på anoden 10. Under drift av anoden oksyderes også aluminiumet i laget 17, og de frembragte oksydasjonsprodukter stenger porene i belegget 15. Tykkelsen av belegget 15

kan likeledes i dette tilfelle oppgå til 0.1 til 1.0 mm,

fortrinnsvis mellom 0,2 og 0.5 mm, mens tykkelsen av skiktet 17 kan oppgå til mellom 0.5 og 1.0 mm. Med dette kombinerte belegg av keramikk og metallisk material, kan det regnes med både statistisk lukning av.porene og stengning av disse ved hjelp av de frembragte oksydasjonsprodukter på hensiktsmessig måte, idet disse virkninger adderer seg til hverandre.

Fig. 3 viser et ytterligere arrangement hvorved det, mellom overflaten 19 av anoden 10 og belegget 15 av aluminiumoksyd, er anordnét et basisskikt 18 av aluminium som befinner seg i direkte kontakt med karbonmaterialet i anoden 10. I dette tilfelle vil sådanne komponenter av den omgivende atmosfære som frembringer oksydering etter å ha trengt gjennom belegget 15, bevirke en forandring av materialet i basislaget 18 på en slik måte at det oppnås lukning av porene i belegget 15. Ved en sådan konstruksjon, hvori belegget 15 har den ovenfor angitte tykkelse, lan basisskiktet 18 ha en tykkelse av samme størrelsesorden som aluminiumsskiktet 17 i fig. 2, eller det kan velges en tykkelse på basisskiktet 18 under den laveste angitte verdi, fordi gass-strømningen gjennom porene i belegget 15 bare er ganske svak.

Den utførelse som er angitt i fig. 4, er egnet for anvendelse i omgivelser med store mengder av bestanddeler som er oksyderende i sin virkning, samt foreligger i gassform eller eventuelt andre aggregattilstander. Et belegg 15 av aluminiumoksyd er påført anodeoverflaten 19. Denne er forsynt med et skikt 17 av metallisk aluminium som i sin tur er dekket av et belegg 20 av aluminiumoksyd. Laget 17 av aluminium er egnet for samme driftsforhold som tidligere har blitt beskrevet i forbindelse med fig. 2. Tykkelsen av belegget 20 kan oppgå til 0.1 til 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm, og denne skikttykkelse kan også anvendes for belegget 15 under de foreliggende forhold. Verdier mellom 0.05 og 1.0 mm i ett eller flere påføringsskikt er fordelaktig for tykkelsen av laget

17. I praksis kan tykkelsen av de enkelte lag eller av avlagringene under de enkelte påføringsprosesser ikke holdes uniform, men det er mulig til slutt å oppnå et samlet belegg med jevn tykkelse. Fig. 5 viser en videreutvikling av fig. 4. Overflaten 19 av anoden 10 er utstyrt med et basisskikt 21, hvorpå det er påført et belegg 15 med et utenforliggende lag av aluminium 17, som i sin tur er utstyrt med et dekkskikt 20. Belegget 15 og dekkskiktet 20 utgjøres av aluminiumoksyd, slik som i den viste utførelse i fig. 4, eller slik det allerede er beskrevet i forbindelse med fig. 1.

I henhold til oppfinnelsen beståt dekkskiktet 17 i fig. 2, basisskiktet 18 i fig. 3, mellomskiktet 17 i fig. 4 og 5 samt basisskiktet 21 i fig. 5 alle av aluminium.,

Aluminium utgjør et foretrukket material for å oppnå oppfinnelsens formål. i denne forbindelse, men oppfinnelsen er ikke begrenset til dette material, og andre metalliske materialer kan også anvendes, eventuelt i tillegg til aluminium, så lenge de anvendte materialer ikke påvirker kryolitten og den smelte som frembringes av denne, samt

har samme virkning som tidligere beskrevet.

I fig. 6 består beskyttelsen av anodeoverf låten av et lag 22 av

cermet-material, hvilket vil si en blanding av keramiske og metalliske materialer. Fortrinnsvis utgjøres dette material av aluminiumoksyd og aluminium i et innbyrdes vektforhold gå 10:1 til 2:1. Valg av vektforhold innenfor dette område avhenger av den foreliggende mengde av pmgivelseskomponenter med oksyderende virkning samt den totale porøsitet av det påførte belegg, hvilket i sin tur avhenger av den statistiske fordeling av de partikler som

utgjør belegget. Skikttykkelsen velges også av økonomiske grunner innenfor området 0.1 til 1.0 mm. Ved en skikttykkelse ved områdets nederste grense', bør det velges et vektforhold mellom aluminiumoksyd og aluminium som ligger nærmere 2:1 enn 10:1, mens. vektforholdet med økende skikttykkelse vil nærme seg verdien 10:1. Beleggene 15 og ytterskiktene 20 som er beskrevet i forbindelse med dé utførelser som er vist i fig. 1-5 kan også dannes .av cermet-materialet. Også andre typer av cermet-materialer kan være hensiktsmessig for foreliggende anvendelse, hvis de tilfredsstiller kravet til forurensningsfri løsning i kryolitt, ingen påvirkning av det elektrolytisk utskilte aluminium, samt heller ingen påvirkning av célle-foringen, samtidig som vedkommende material må ha evne til å danne et gass-ugjennomtrengelig belegg og. er tilpasset anodens termiske utvidelse.

Belegg av keramikk og av keramikk-métalliske materialer påføres i henhold til oppfinnelsen fortrinnsvis i finfordelt form og sammentrenges til et koherent lag ved anvendelse av termisk energi, mens beleggene av metallisk type f.eks. kan påføres ved flamme-sprøytning, ved. hjelp av en acetylenbrenner. Denne type av skikt-dannelse frembringer kommersielt tilfredsstillende resultater, sammenlignet med kjente utførelser. For oppnåelse av de optimale fordeler ved eliminering av sekundær avbrenning, anvendes i denne

forbindelse fortrinnsvis den innretning som er vist i fig. 7 for dannelse av beleggene.

Denne innretning er en såkalt plåsmabrenner 23, som påfører beleggmaterialét 24 i smeltet tilstand på anodeoverflaten 19, idet materialet er fint fordelt og er i stand til å danne et relativt

ugjennomtrengelig belegg.

Det brenner en lysbue i et hulrom i: plasmabrenneren 23, og en gass innføres i hulrommet for å ioniseres av lysbuen, hvorved, i overensstemmelse med innstillingen^av brenneren 23, gassen bringes til et høyt energiinnhold av størrelsesorden opp til 10 Kcal/kg. Beleggmaterialet 24 innførés i den ioniserte gass-stråle 26 gjennom en passasje 25, enten som -pulver, tråd eller i smeltet form. Materialet omvandles i gass-strålen til finfordelt form og påføres anodeoverf]aten ved hjelp åv den høye termiske og kinetiske energi som foreligger i gass-strålén 26. Denne innretning har den fordel at påføringen av materialet 24 og dannelsen av et relativt ugjennomtrengelig skikt kan finne^ibéd-- samtidig. Den samtidige oppvarming av anodeoverflaten 19, dvs. en viss sone rundt det foreliggende påføringssted, hindrer enhver tilbakekasting av det påførte lag, og utelukker, på grunnlag av sjokkoppvarming, oksydering av karbon-materialet eller et eventuelt tidligere påført metallskikt, f.eks.

et på forhånd påført aluminiumlag. Ved "høyt energiinnhold" for gass-strålen 26 skal det.forstås et energiinnhold som på forhånd er innstilt til det maksimalt mulige,5 nivå for det foreliggende material og er tilstrekkelig høyt for sifieltning av dette material. Energiinnholdet kan oppgå til e' n ' så høy verdi som 10 5 Kcal/kg. For påføring av et belegg av aluminiumoksyd bør energiinnholdet i den ioniserte gass-stråle innstilles slik at eriergien er optimal for belegnings-prosessen, men ikke så stor at aluminiumoksydet fordamper før det når frem til den overflate som,skal belegges.

For å øke vedheftningen og stabiliteten for et belegg som utgjøres

av aluminiumoksyd eller et material av eermet-type, bør gass-strålen påvirke skiktmaterialet på oksyderende måte. Ved anvendelse av en ikke-oksyderende ionisert,gass-stråle, kan det dannes aluminium-suboksyd og fritt oksygen, således at det.nettopp der det er ønskelig, ikke oppnås optimal vedhefting og stabilitet. Ved nærvær av nitrogen i den ioniserte gass-stråle, kan det dannes nitrider, som likeledes motvirker:den ønskete stabilitet og vedheftning for det påførte belegg. For frembringelse av en ionisert gass-stråle kan det anvendes både gass-stabiliserte og vann-stabiliserte plasmabrennere. En brenner vannstabiliseres ved :• innføring av vann gjennom en åpning i hulrommet.

Plasmabrenneren 23 er vannstabilisert, og bør ha en minimum inngangseffekt på 40 kw, og fortrinnsvis omkring 150 kw eller høyere. Inngangseffekter av denne størrelsesorden kan ved det foreliggende teknologiske nivå bare oppnås ved vann-stabiliserte brennere, og som allerede nevnt muliggjør sådanne brennere samtidig rask opphetning av et tilstrekkelig stort område rundt påføringsstedet således at enhver tilbakekasting av et påført lag eller oksydering av karbonmaterialet eller et eventuelt påført aluminiumslag på i karbon-materialet, kan unngås.-

Brennere 23 av" denne type er ikke ved sin konstruksjon begrenset

til at det bare kan innføres ett material 24 i den ioniserte gass-strøm 26. Det er således mulig å innføre ett eller flere materialer 24 i plasmabrenneren 23, hvilket vil si i den ioniserte gass-stråle 26, idet det avhengig av innretningens håndtering vil oppnås et homogent eller heterogent material i belegget. En innretning for frembringelse av en ionisert gass-stråle er derfor på grunnlag av sin innstillbare utgangsstråle, vel egnet for fremstilling av anoder i henhold til de viste konstruksjoner i fig. 1 til 6, og som i drift er nøytrale med hensyn på sine omgivelser.

Prisen for sådanne innretninger for frembringelse av ionisert gass-stråle, f.eks. brenneren 23, er relativt lav i forhold til de fordeler som oppnås ved hjelp av sådanne innretninger ved under-trykkelse av den sekundære avbrenning, således at oppfinnelsens formål fremdeles oppnås hvis f.eks. to innretninger av den beskrevne type anvendes for fremstilling av et belegg bestående av et aluminiumlag med et utenpåliggende skikt av aluminiumoksyd, idet en av nevnte innretninger frembringer aluminiumslaget og den annen innretning aluminiumoksydskiktetw: To innretninger for ionisering av en gass-strøm kan også hensiktsmessig anvendes for fremstilling av et belegg bestående av et aluminiumskikt med et utenpåliggende belegg av cermet-type. Ved fremstilling av et sådant dobbeltbelegg påføres først anodeoverflaten aluminium fra den ene innretning, hvoretter skiktet av cermet-typen bygges opp ved i tillegg også å innkoble den annen innretning, således at de to innretninger kombinerer sine avgitte materialer,

som henhv.: utgjøres av"aluminium og aluminiumoksyd. Det sistnevnte

arrangement er naturligvis også vel egnet for påføring av et cermet-belegg alene ved at en brenner anvendes for påføring av aluminium og den annen brenner samtidig utnytes for påsprøytning av aluminiumoksyd. Alternativt kan like gode resultater oppnås med hensyn til metodens økonomi, hvis aluminiumslaget påføres anodeoverflaten eller som mellomliggende lag i et flerskiktbelegg ved hjelp av flammesprøyting under utnyttelse av en acetylen-oksygen-blanding. '"

I det følgende vil det bli angitt noen praktiske tilvirknings-eksempler for anoder i henhold til oppfinnelsen.

Eksempel 1

På en karbonanode for aluminiumelektrolyse sandblåses fortrinnsvis først overflaten ved hjelp av korundum-sand. Et aluminiumoksydskikt med en tykkelse på omtrent 0.4 mm påføres ved hjelp av< en vannstabilisert plasmabrenner med 150 kw inngangseffekt samt en materialutsprøyting på omkring 20 kg/time, ved fire påfølgende strøk på tvers av overflaten. Avstanden fra plasmabrennerens anode til overflaten av karbonanoden oppgår til 25 til 30 cm. Påførings-takten for aluminiumoksyd oppgår til omkring 16 kg/time.

Det aluminiumoksyd som ikke blir påført, oppsuges, samles og avgis 'tilbake til prosessen. Kornstørrelsen for aluminiumoksydet oppgår til mellom 75 og.'150^um.

Eksempel 2

Den overflate som. skal beskyttes på en vanlig karbonanode for aluminiumelektrolyse sandblåses fortrinnsvis til å begynne méd med korundumsand. Et aluminiumskikt av 0.1 mm tykkelse påføres ved hjelp av en metalliseringsbrenner, hvilket vil si en oksygen-acetylen-brenner. Direkte ovenpå dette lag påføres et belegg av A^O^ med en tykkelse på omtrent 0.3 mm, ved hjelp av en vårin-stabilisert plasmabrenner med.en inngangseffekt på 150 kw og en utsprøytet materialmengde på 20 kg/time, ved påfølgende strøk av plasmaflammen tre ganger over overflaten, idet avstanden mellom plasmabrennerens anode og overflaten for karbonanoden oppgår til 25 til 30 cm. Påføringseffektiviteten for K\ £>^ oppgår til" omkring...

80%. Det påførte ^ 2°3 (industrielt aluminia) har en kornstørrelse mellom 75 og 150^um.

Eksempel 3

Den overflate som skal beskyttes, utstyres, slik som beskrevet i eksempel 2, med et skikt på omkring 0.1 mm tykkelse av metallisk aluminium. En mengde på omkring 20 kg Al2°3 og °mkring 5 kg

metallisk aluminium pr. time påføres så ved hjelp av en vann-stabilisért plasmabrenner med 150 kw inngangséffekt, idet brenneren kontinuerlig tilføres en aluminiumtråd med diameter på 3.5 mm som anode, for dannelse av et belegg av cermet-typen med tykkelse på omkring 0.4 mm. De gjenværende betingelser tilsvarer helt og fullt de som er angitt i eksempel 2.

Eksempel 4

Den overflate som skal beskyttes, sandblåses som beskrevet i eksempel 1, og plasmabelegges deretter med en mengde på omkring 7 kg aluminium og omkring 20 kg Al^ p^ Pr* time» ve<^ hjelp av en vann-stabilisert plasmabrenner, med eh 150 kw inngangseffekt, idet brenneren kontinuerlig som anode forsynes med aluminiumtråd med diameter på 3,5 mm, for dannelse av et cermet-skikt av 0.5 mm tykkelse. Avstanden mellom overflaten og brenneranoden av aluminiumtråd oppgår til 20 til 25 em, og skiktet påføres ved føring av plasmaflammen fire ganger over overflaten. Som ved de øvrige eksempler, må det sørges for at plasmastrålen rettes så perpendikulært som mulig mot karbonanodens overflate.

Claims (13)

1. Karbonanode til bruk ved fremstilling av aluminium ved

smelteelektrolyse, og hvis overflate er forsynt med et belegg som hemmer oksydasjon av anodematerialet,karakterisert ved at belegget utgjøres av flammepåsprøytete materialpartikler på basis av aluminiumoksyd, idet de enkelte partikler i det minste delvis er innbyrdes sammenføyet ved størkning på stedet.

2. Anode som angitt i krav 1,karakterisert ved at belegget (15) på basis av aluminiumoksyd har en tykkelse på 0.1 til 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm.

3. Anode som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert ved at det utenpå belegget (15) på basis av aluminiumoksyd er påført et skikt (17) av aluminium.

4. Anode som angitt i krav 3,karakterisert ved at aluminiumsskiktet har en tykkelse mellom 0.05 og 1.0 mm.

5. Anode som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert ved at det mellom overflaten (19) av anoden (10) og belegget (15) på basis av aluminiumoksyd er anordnet et dekkskikt (18) av aluminium.

6. Anode som angitt i krav 5,karakterisert ved at aluminiumdekkskiktet (18) har en tykkelse mellom 0.05 og 1.0 mm. c

7. Anode som angitt i krav 1. - 4,karakterisert ved at det utenpå skiktet (17) av aluminium er påført et dekkskikt (20) av flammepåsprøytet aluminiumoksyd.

8. Anode som angitt i krav 7,karakterisert ved at dekkskiktet (20) av flammepåsprøytet aluminiumoksyd har en tykkelse mellom 0.1 og 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm.

9. Anode som angitt i krav 7 og 8,karakterisert ved at det mellom overflaten (19) av anoden (10) og belegget (15) på basis av aluminiumoksyd, er anordnet et basisskikt (21) a<y> aluminium.

10. Anode som angitt i krav 1-9,karakterisert ved at belegget utgjøres av et cermet-material bestående av aluminiumoksyd og aluminium.

11. Anode som angitt i krav 10,karakterisert ved at vektforholdet mellom aluminiumoksyd og aluminium i nevnte cermet-material ligger mellom 10:1 og 2:1.

12. Anode som angitt i krav 10,karakterisert ved at belegget har en tykkelse på mellom 0.1 og 1.0 mm, fortrinnsvis mellom 0.2 og 0.5 mm.

13. Anode som angitt i krav 1-12,karakterisert ved at aluminiumoksydet er l i tilsatt smeltepunktsenkende tilsatser. i