NO144392B - Blanding egnet til bruk som fugemasse i elektrolyseceller - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en blanding egnet til bruk som

fugemasse i elektrolyseceller for fremstilling av aluminium. Blandingen ifølge oppfinnelsen er angitt i krav 1, og det vises

til dette. Foretrukne utførelsesformer er presisert i krav 2 og krav 3.

Teknikkens stand på området, det vil si fugemasser til bruk i Hall-Heroult-celler, er beskrevet i litteraturen, se f.eks. U.S. patent nr. 2 378 142 og U.S. patent nr. 3 576 700 og, særlig,

U.S. patent nr. 2 637 072 og svensk patent nr. 171 101.

Ifølge en kjent metode vedrørende bruken av en fugeblanding i Hall-Heroult-celler anordnes for-brente katodeblokker av karbon i cellebunnen, adskilt ved fuger med en bredde på 2,5-7,5 cm.

For å oppnå fuger med optimale egenskaper, dvs. høy tetthet, har

den konvensjonelle praksis vært å forvarme karbonblokkene til 60-130°C og deretter stampe en varm, for eksempel 130°C, fugeblanding i fugene og mellom f6ringen på cellesiden og blokkene"

for å danne en glatt cellebunn.

Denne metode er ufordelaktig av forskjellige årsaker. Det utvikles damper fra den oppvarmede blanding. Det trenges øvet arbeidskraft og koordinering for å anbringe den hete fugeblanding mellom de oppvarmede blokker før blandingen blir kold. Den høye temperatur er ubehagelig for dem som utfører arbeidet. Det er også store kapital- og driftsutgifter forbundet med forvarmingen av både blokker og fugeblandingen.

På grunn av de problemer som er knyttet til fugemasser, til

bruk ved forhøyede temperaturer tar man med foreliggende oppfinnelse sikte på å skaffe en blanding som kan brukes uten anvendelse av varme, idet temperaturen a.v blandingen under bruken helt enkelt er temperaturen i rommet hvor elektrolysecellen befinner seg.

Fra ovennevnte U.S. patent nr. 2 637 072 er det kjent en

blanding egnet for fremstilling av formede karbonlegemer. Blandingen er imidlertid ikke egnet til bruk som fugemasse ved romtemperatur. Den i patentet beskrevne blanding innbefatter kull som ikke er kalsinert og som inneholder 10-15% flyktig materiale, hvilket resulterer i en meget betydelig kontraksjon ved oppvarmning til 950°C. En foretrukken blanding i patentet inneholder kulltjærebek med et mykningspunkt på 105°C, og blandingen formes ved en temperatur på 100°C, som jo er vesentlig høyere enn romtemperatur.

Svensk patent nr. 171 101 angår en fremgangsmåte til sammen-føyning av for-brente karbonblokker til kontinuerlige elektroder. Allerede denne anvendelse viser at de krav som må stilles til fuge-massens egenskaper, er forskjellige fra de krav som stilles til blandingen ifølge foreliggende oppfinnelse. I patentet er det da heller ikke angitt å være nødvendig å kalsinere det karbon-materiale som anvendes, for avdrivning av flyktige bestanddeler. Forøvrig fremgår det av de siste 16 linjer på side 1 i patent-skriftet at den masse som anvendes, ikke på tilfredsstillende måte kan anvendes ved romtemperatur, hvilket er et viktig formål med blandingen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Uttrykket "bindemiddel" i det foreliggende omfatter bek fra kulltjære og lignende petroleumsprodukter. Uttrykket "mettede sidekjeder" omfatter ikke bare de radikaler som konvensjonelt faller under dette begrep, så som metyl- og etylradikaler, men også hydrogenatomer alene.

Løsningsmidlet kan inneholde forurensninger av den art som forekommer når fremstillingen skjer ved kulltjære-destillasjon, hvilke forurensninger omfatter svovelforbindelser så som tiofener, oksygenforbindelser såsom fenoler, og nitrogenfor-bindelser, såvel ring-nitrogen- som sidekjede-nitrogen-forbindelser, såsom pyridin og aminobenzen.

En foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er basert på

den oppdagelse at en særlig god fugemasse, som kan anvendes ved romtemperatur, kan fremstilles hvis en fugemasse som har gode egenskaper når den brukes varm, modifiseres på en slik måte at den inneholder rå-metylnaftalen i tilstrekkelig mengde til å gjøre det mulig å bruke blandingen ved romtemperatur. Hvis ikke noe annet er spesielt angitt, betyr uttrykket, "rå-metylnaftalen", som er et foretrukket løsningsmiddel, et materiale bestående av, angitt i vekt%:

12% t 5% naftalen

55%± 5% a- og (3-mety lnaf talen

33%+ 5% dimetylnaftalen,

idet summen av prosentmengdene av naftalen, a- og 3-metylnaftalen og dimetylnaftalen praktisk talt er 100%. Et slikt rå-metylnaftalen kan selvsagt fremstilles ved å blande målte mengder av dets komponenter, men en billigere kilde er en destillat-fraksjon fra kjemisk olje avledet fra koksovntjære. Se for eksempel kapittel 5 med tittelen "Recovery of Coal Chemicals" i The Making, Shaping and Treating of Steel, utgitt av United States Steel Corporation, 7. utg. (1957) eller kapittel 12 med tittelen "Coal Tar" i Coal, Coke and Coal Chemicals, av Philip J. Wilson, Jr.,

et al., utgitt av McGraw-Hill Book Company, Inc., Iste utgave (1950).

Under fremstillingen av blandingen ifølge, foreliggende oppfinnelse blander man først sammen ingrediensene av en konvensjonell blanding av den art som brukes i oppvarmet tilstand. Disse in-gredienser består i det vesentlige av antrasittpulver og bindemiddel. Bindemidlet er vanligvis koksovn-tjære, men det kan bestå av petroleum-bindemiddel.

Det neste trinn er å blande sammen bindemidlet og rå-metylnaftalen-løsningsmiddel. Blandingen av bindemiddel og løsnings-middel blir deretter hellet i en uoppvarmet blander i hvilken antrasittpulveret allerede befinner seg i bevegelse. Blande-operasjonen fortsettes inntil man har fått et jevnt belegg av bindemiddel-løsningsmiddel-kombinasjonen på antrasittpulveret.

Bindemiddel-bestanddelen som anvendes i konvensjonelle fugemasser, er for eksempel det residuum (betegnet "bek") som fås ved kulltjære-destillasjon, hvis teknologi er diskutert i de ovenfor nevnte kapitler i The Making, Shaping and Treating of Steel, og i Coal,Coke and Coal Chemicals. Bek er karakterisert

ved sitt "mykningspunkt", hvilken parameter blir bestemt ved "Cube-in-air"-metoden beskrevet i ASTM D-2319 under tittelen "Softening Point of Pitches".

Antrasittpulveret er vanligvis antrasitt som er kalsinert

for å drive av flyktige bestanddeler.

En foretrukket blanding ifølge oppfinnelsen består i det vesentlige av: 1) 7 til 17 vektdeler bindemiddel med mykningspunkt mellom 48° og 54°C, og 83 til 93 vektdeler antrasittpulver, samt

2) rå-metylnaftalen-løsningsmiddel i en mengde på

8 til 16%, fortrinnsvis 10-14% beregnet på vekten av bindemidlet.

De relative mengder av bestanddelene i denne foretrukne blanding kan alternativt uttrykkes matematisk på følgende måte: Når X er vekten av bindemidlet og Y er vekten av antrasitt-pulver, kan variere mellom 7 og 17%, og prosentmengden av antrasitt-pulver vil være

mens mengden av oppløsningsmiddel er fra 8 til 16% av X.

Følgende eksempler vil ytterligere illustrere oppfinnelsen.

Eksempel 1.

En blanding ifølge oppfinnelsen ble brukt ved reparasjon av bunnf6ringen i en Hall-Heroult-celle som var ved slutten av sin levetid, slik at den snart måtte f6res påny. Den opprinnelige fugemasse mellom katodeblokkene var erodert, slik at metall lekket ut av cellen. Cellen ble tømt for sitt flytende innhold, hvoretter den fikk kjølne. Metall som var størknet i hullet eller fugespalten, ble fjernet. Deretter ble hullet/spalten fylt med blandingen ifølge oppfinnelsen. Blandingen inneholdt 88 vektprosent antrasittpulver og 12 vektprosent bek med et mykningspunkt på ca. 50°C. Denne bek ble dannet ved at man blandet 13,5 vektprosent av bek med et mykningspunkt på 110°C og 86,5 vektprosent av bek med et mykningspunkt på 40°C. Antrasittpulveret var kalsinert antrasitt med den i tabell I angitte partikkelstørrelses-fordeling. I tabellen betyr for eksempel "-3/8 + 4" partikler som passerer en 3/8 tommers sikt (Tyler-skalaen) og som holdes tilbake på en sikt nr. 4.

Tabell I - Kalsinert antrasitt.

Størrelsesfordeling.

Beken ble opphetet til 75 C, og deretter ble under omrøring rå-metylnaftalen-løsningsmiddel i en mengde svarende til 10 vektprosent av beken blandet med beken. Det brukte metylnaftalen-løsningsmiddel var levert av Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pennsylvania under betegnelsen "metylnaftalen-fraksjon" som inneholdt i vektprosent 121 naftalen, 55% alfa- og beta-metylnaftalen og 33% dimetylnaftalen. I tabell II er andre egenskaper vedrørende dette produkt angitt.

Tabell II

Ytterligere parametre vedrørende løsningsmidlet

Antrasitten ble anbrakt i en blander, blanderen startet, og med blanderbladene i bevegelse innførte man blandingen av oppløsnings-middel og bek. Hverken antrasittpulveret eller1 blanderen ble opp-r varmet. Den resulterende blanding ble transportert til en Hali-Heroult-celle som skulle repareres. Før man stampet blandingen

i hullet ble sidene ved hullet påført et belegg av varm bek som hadde et mykningspunkt på 130°C. Fugeblandingen ble pakket i flere lag i hullet som skulle repareres, idet man først brukte en ramme-montert stamper og deretter en manuell -stamper for å ferdigbehandle det øverste lag. Når fugeblandingen var ferdigstampet i hullet,

ble cellen forvarmet i 8,5 timer ved bruk av to brennere. Temperaturen av blandingen ved slutten av denne tid var 125°C, idet denne temperatur var nådd etter omtrent 4- 5 timer av forvarmihgs-' tiden. Elektrolyse av Al2°3 i cellen ble startet omtrent 9 timer '

i

etter at forvarmingen var avsluttet, og cellen ble undersøkt ca.

30 dager etter starten. Undersøkelsen viste at den reparerte fuge ennå var i god stand. Cellen ble drevet i minst 10 måneder, og den viste ikke noe høyt jerninnhold i det dannede aluminium. Nærvær av et høyt jerninnhold vil være en indikasjon på at reparasjonen sviktet.

Eksempel II

I en blander ved romtemperatur ble det fremstilt en blanding ved bruk av 13 vektprosent bek med mykningspunkt på 52°C

og 87 vektprosent antrasitt, samt rå-metylnaftalen-løsningsmiddel som i eksempel I i en mengde på 12 vektprosent av beken. Denne blanding ble brukt som fugemasse i en ny aluminiumfremstillings-celle. Det ble ikke påført noe belegg på karbonblokkene. Karbonblokkene ble holdt ved romtemperatur, og blandingen ble også stampet inn ved romtemperatur. Romtemperaturen var 25°C. Mens den enkle forvarmingsmetode beskrevet i eksempel I var tilstrekkelig for vedkommende celle da cellen allerede hadde vært i bruk i lengre tid, ble i foreliggende tilfelle, hvor det dreiet seg om en ny celle, karbonblokkene og fugeblandingen som var stampet mellom blokkene, langsomt opphetet i en hovedsakelig inert atmosfære i flere timer til en temperatur på 900 til 1000°C.

Skjønt det i eksemplene ovenfor brukes løsnings-middel i en -mengde på 10 og 12 vektprosent av beken, viser bake-krympings-forsøk at løsningsmiddel-innhold på 8 til 16 vektprosent av beken vil gi gode fugeblandinger til bruk ved romtemperatur i samsvar med oppfinnelsen.

Foreliggende oppfinnelse har den særlige fordel at den tillater bruk av bek med høyere mykningspunkt enn hva som tidligere vanligvis ble brukt i fugeblandinger, fordi stampingen nå kan utføres ved romtemperatur. Høyere mykningspunkter og der-

med forbundne høyere forkoksingsverdi betyr bedre karbonlegemer.

Ved siden av å brukes som fugemasse er blan-

dingen ifølge oppfinnelsen mer generelt også egnet til bruk som periferisk blanding, det vil si en blanding som fylles rundt karbonblokker i en aluminium-fremstillingscelle, og som blanding for fremstilling av en monolitisk bunn i aluminiumceller, i hvilket tilfelle man ikke bruker karbonblokker. Blandingen ifølge oppfinnelsen kan brukes såvel ved oppbygging av nye celler som for reparasjon av gamle celler.

Claims (3)

1. Blanding, egnet til bruk som fugemasse i elektrolyseceller for fremstilling av aluminium, av den art som i det vesentlige består av a) et antrasitt-pulver b) et bituminøst bindemiddel og c) et løsningsmiddel som har et kokepunkt mellom 150 og'350°C og som i alt vesentlig består av et aromatisk hydrokarbon som er fritt for umettede sidekjeder, eller en blanding av slike hydrokarboner, og som foreligger i en andel som tilsvarer 8-16% av bindemidlets vekt, karakterisert ved at den inneholder a) 83-93 vektdeler av et antrasittpulver som er kalsinert til et innhold av flyktige bestanddeler på mindre enn 1,5%, og b) 7-17 vektdeler bindemiddel.

2. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at løsningsmidlet er rå-metylnaftalen.

3. Blanding ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at bindemidlet har et mykningspunkt på 48-54°C.