NO152800B

NO152800B - Burnt Anode Including An Inert Anode Plug For Use In The Preparation Of Aluminum By Melt Electrolysis And Procedure For Making It

Info

Publication number: NO152800B
Application number: NO832769A
Authority: NO
Inventors: Tormod Naterstad; Knut Bergli; Jan Hurlen
Original assignee: Ardal Og Sunndal Verk
Filing date: 1983-07-23
Publication date: 1985-08-12
Also published as: NO152800C

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en inert anodetopp med pålimt forbruksanode til bruk ved den smelteelektrolyttiske fremstilling av aluminium for derved å redusere de anodiske karbontap ; og en fremgangsmåte for fremstillina av denne, som ifølge kravene 1 og 6. The present invention relates to an inert anode top with a glued-on consumable anode for use in the smelting electrolytic production of aluminum to thereby reduce the anodic carbon losses; and a method for the production thereof, as according to claims 1 and 6.

Ved den smelteelektrolyttiske fremstilling av aluminium brukes karbonlegemer, såkalte anodekull, som anode. Under smelteelektroly- In the smelting electrolytic production of aluminium, carbon bodies, so-called anode carbon, are used as anodes. During fusion electro-

sen utvikles gasser som virker oksyderende på anoden som derved forbrukes og følgelig må fornyes. gases are then developed which have an oxidizing effect on the anode, which is thereby consumed and consequently must be renewed.

Fra aluminiumindustriens første tid har det som anoder vært brukt kar-bonblokker festet til en stålstav, såkalte anodehengere. Den meka- From the early days of the aluminum industry, carbon blocks attached to a steel rod, so-called anode hangers, have been used as anodes. The mecha-

niske og elektriske forbindelse skjer ved å anbringe anodehengerne eller en forlengelse av dem, en kontaktbolt, i utboringer (utsparinger) nic and electrical connection is made by placing the anode hangers or an extension of them, a contact bolt, in bores (recesses)

på oversiden av karbonblokkene og feste dem der, enten ved å støpe dem fast med flytende jern eller stampe dem fast med en stampemasse på karbonbasis. on the top of the carbon blocks and fix them there, either by casting them in place with liquid iron or tamping them down with a carbon-based tamping compound.

I alle tilfelle må karbonlegemet skiftes ut når det er forbrukt så mye In any case, the carbon body must be replaced when it has consumed so much

av det at det er fare for at selve anodehengeren eller kontaktbolten vil bli angrepet av smelteelektrolytten. Ved utskiftingen vil den ikke forbrukte del av anodehullet utgjøre 10-20 vektprosent av den opprinnelig innsatte anode. of the fact that there is a risk that the anode hanger or the contact bolt itself will be attacked by the molten electrolyte. During the replacement, the unconsumed part of the anode hole will make up 10-20 percent by weight of the originally inserted anode.

Det er umiddelbart innlysende at det har stor økonomisk betydning å redusere dette karbontap. Reduserte karbontap vil bety bedre utnyt-telse av produksjonsanlegget for karbonlegemer og det vil bli mindre karbonavfall å ta hånd om. It is immediately obvious that reducing this carbon loss is of great economic importance. Reduced carbon losses will mean better utilization of the production plant for carbon bodies and there will be less carbon waste to deal with.

Flere metoder er kjent for å redusere de anodiske karbontap. Several methods are known to reduce the anodic carbon losses.

Soderberganoder representerer en spesiell fremgangsmåte ved å frem-stille en kontinuerlig elektrode, altså uten karbontap, idet anoden produseres i en kontinuerlig prosess i selve elektrolyseovnen. Av flere forskjellige grunner forlates nå Soderberganoden i den smelteelektrolyttiske . aluminiumfremst i 11 ing . Soderberg anodes represent a special method by producing a continuous electrode, i.e. without carbon loss, as the anode is produced in a continuous process in the electrolysis furnace itself. For several different reasons, the Soderberg anode is now abandoned in the melt electrolytic. aluminum front in 11 ing.

I Tyskland utviklet VAW en forbrent anode som skulle kunne drives uten karbonrester. Anoden var delt opp i et antall anodekull, hvert kull like langt som anoden var bred. Hvert anodekull var festet til en strømskinne på hver langside av anoden ved hjelp av fastskrudde kobberskinner, to i hver ende av anodekullet. In Germany, VAW developed a burnt anode that could be operated without carbon residues. The anode was divided into a number of anode coals, each coal as long as the anode was wide. Each anode carbon was attached to a current rail on each long side of the anode by means of screwed copper rails, two at each end of the anode carbon.

Fornyelsen av anoden skjedde ved å legge et nytt anodekull oppa det gamle. Det nye anodekullet var forsynt med en limsåle så restene av det gamle anodekull skulle bli hengende og forbrukes når det nye anodekullet ble tatt i bruk ved å koble kobberskinnene fra det gamle kull og opp til det hye. The renewal of the anode took place by placing a new anode coal on top of the old one. The new anode coal was provided with an adhesive sole so that the remains of the old anode coal would be left hanging and consumed when the new anode coal was put into use by connecting the copper rails from the old coal up to the high one.

I tidligere BRD patent nr. 863 999 og 1 090 867 er forbindelsesmassen som ble benyttet i den aktuelle løsning beskrevet. Inhomogene sjikt av den aktuelle tykkelse (min. 5 mm) representerer betydelig problem m.h. på strømgjennomgang, foruten selektiv oksydasjon av binderfasen når sammenføyningen forbrukes i sliteflaten over ca. 2 døgn. In former BRD patent no. 863 999 and 1 090 867, the compound used in the solution in question is described. Inhomogeneous layers of the relevant thickness (min. 5 mm) represent a significant problem in terms of on current flow, in addition to selective oxidation of the binder phase when the joint is consumed in the wear surface over approx. 2 days.

Denne ovnstype har det vist seg vanskelig å drive, særlig etter at det er blitt aktuelt å gå over til elektrolysebvner med høyere strøm-styrke. Ovnstypen er derfor forlatt. This type of furnace has proven difficult to operate, especially after it has become relevant to switch to electrolytic furnaces with higher amperage. The oven type has therefore been abandoned.

I prinsippet brukes det idag samme anodetype som i aluminiumindustriens barndom, men de enkelte anodekull er blitt større og oftest er det festet to eller tre kontaktbolter i hvert anodekull. In principle, the same anode type is used today as in the aluminum industry's infancy, but the individual anode carbons have become larger and most often two or three contact bolts are attached to each anode carbon.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det funnet at karbontapene kan reduseres ved at anodekullet limes fast under en inert anodetopp som etter bruk befries for anodekullrester og et nytt anodekull limes på. According to the present invention, it has been found that the carbon losses can be reduced by gluing the anode carbon under an inert anode top which, after use, is freed from anode carbon residues and a new anode carbon is glued on.

Den inerte anodetopp består av et karbonlegeme som kjerne, forsynt med et eller flere beskyttende sjikt, og denne kjerne er forbundet med kontaktboltene i et åk på en anodestang og hvor en forbruksanode av karbon er fastlimt under den inerte anodetopp. The inert anode top consists of a carbon body as a core, provided with one or more protective layers, and this core is connected to the contact bolts in a yoke on an anode rod and where a consumable carbon anode is glued under the inert anode top.

Det beskyttende sjikt på karbonkjernen består innerst av et sjikt karbonbundet SiC eller AI2O3 og dette sjiktet er beskyttet med et lag kalsiumaluminatbundet SiC eller A^Og. The protective layer on the carbon core consists of a layer of carbon-bonded SiC or AI2O3 and this layer is protected with a layer of calcium aluminate-bonded SiC or A^Og.

Karbonkjernen også være belagt med et lag kalsiumaluminiatbundet AI2O3. The carbon core also be coated with a layer of calcium aluminate-bound AI2O3.

Det beskyttende sjikt kan også være dekket med et lag smeltet slagg/ dross som er skummet av det flytende aluminium ved utstøpingen av dette. The protective layer can also be covered with a layer of molten slag/dross that is skimmed off the liquid aluminum during its casting.

I norsk patent nr. 132596 er avgitt en metode for påføring av aluminiumoksyd (AI2O3) eller aluminiumoksyd og aluminium i findelt form ved hjelp av ionisert gass-stråle. Metoden er energikrevende og beskyttelsessjiktet som med praktiske metoder kan påføres har vist seg å bli for tynt og porøst til at effektiv beskyttelse av den oksyderbare anodeblokken oppnås. Den ekstra varmeisolasjon som termisk belegg gir medfører at overflatetemperaturen på anodeblokken stiger og derved øker overflateoksydasjonen - dersom ikke beskyttelsessjiktet er tett. Norwegian patent no. 132596 discloses a method for applying aluminum oxide (AI2O3) or aluminum oxide and aluminum in finely divided form by means of an ionized gas jet. The method is energy-intensive and the protective layer that can be applied with practical methods has been shown to be too thin and porous for effective protection of the oxidizable anode block to be achieved. The extra heat insulation that thermal coating provides means that the surface temperature of the anode block rises and thereby increases surface oxidation - if the protective layer is not tight.

En rekke teknikker for fremstilling og avbinding av karbider, A range of techniques for the production and debonding of carbides,

nitrider, borider, oksydforbindelser og oksyder som ildfast materiale og beskyttelsessjikter er kjent /2/. nitrides, borides, oxide compounds and oxides as refractory material and protective layers are known /2/.

Problemene ved anvendelse av forskjellige typer termiske materiale i kontakt med kryolittholdige smelter og damper er også grundig beskrevet i litteraturen /2,3/. The problems with the use of different types of thermal material in contact with cryolite-containing melts and vapors are also thoroughly described in the literature /2,3/.

Hittil har kjente løsninger hatt sin begrensning i termisk sjokk-motstand,- endring i termisk utvidelse ved opptak av smeltekomponenter, og/eller manglende inerthet overfor smelte- eller smeltedamper med uakseptabel forurensing av elektrolytt og metallprodukt som følge. Utover de rent tekniske begrensninger betinger selvsagt mulige besparelser i forhold til eksisterende løsninger med udekket eller aluminiumbedekket anode meget enkle, rimelige løsninger. I den foreslåtte løsning kan nødvendig ny overflatebesjiktning pga. smelte-korrosjon begrenses til et lite belte i anodetoppens nedre del ved festing av ny bruksanode. Until now, known solutions have had their limitation in thermal shock resistance, - change in thermal expansion when absorbing melt components, and/or lack of inertness towards melt or melt vapors with unacceptable contamination of electrolyte and metal product as a result. Beyond the purely technical limitations, possible savings in relation to existing solutions with uncovered or aluminum-covered anodes naturally require very simple, affordable solutions. In the proposed solution, the necessary new surface coating due to fusion corrosion is limited to a small belt in the lower part of the anode top when attaching a new working anode.

Liming av hengerfester til anode er kjent bl.a. fra E. Schulz et al. Gluing of hangers to the anode is known i.a. from E. Schulz et al.

/V. /V.

Den anførte løsning betinger imidlertid bruk av metallisk ledende tilsetning til det aktuelle lim for å redusere overgangsmotstanden mellom strømtilførsel og anode, hvilket ved resirkulering av ano-derester representerer et fordyrende opprednings- eller foruren-singsproblem i anodene. The stated solution, however, requires the use of a metallic conductive additive to the adhesive in question to reduce the transition resistance between current supply and anode, which, when anode residues are recycled, represents an expensive build-up or contamination problem in the anodes.

I foreliggende oppfinnelse vil forbindelsen mellom karbonkjernen og kontaktboltene skje ved at karbonkjernen er forsynt med spor som kontaktboltene er tilpasset, de skyves inn i sporene og låses der. In the present invention, the connection between the carbon core and the contact bolts will take place by the carbon core being provided with grooves to which the contact bolts are adapted, they are pushed into the grooves and locked there.

Det er videre funnet fordelaktig at et spesielt lim brukes for å lime det forbrente anodekull til karbonkjernen i den inerte anodetopp. It has further been found advantageous that a special adhesive is used to glue the burnt anode carbon to the carbon core in the inert anode top.

Dette lim inneholder et bindemiddel, flytende ved værelsestemperatur, og består av en blanding av to komponenter A og B, og en katalysator, hvor komponent A er katalyseherdende i temperaturområdet 10 - 250 °C, og består av delvis polymerisert furfurylharpiks, basert på selvkondensert furfurylalkohol, med maks. 50 vektprosent monomer og maks. viskositet 500mPas, og komponent B er tjære som går over i fast tilstand minst 200 °C over herdetemperaturen for komponent A, hvilken tjære har et mykningspunkt lavere enn 60 °C R & B, idet 92 - 99 vektprosent av bindemiddelet består av A + B, hvor komponent B utgjør mellom 40 og 90 vektprosent av denne komponentblanding, og katalysatoren 8-1 vektprosent av den totale blanding. This glue contains a binder, liquid at room temperature, and consists of a mixture of two components A and B, and a catalyst, where component A is catalytic curing in the temperature range 10 - 250 °C, and consists of partially polymerized furfuryl resin, based on self-condensed furfuryl alcohol , with max. 50 weight percent monomer and max. viscosity 500mPas, and component B is tar that turns into a solid state at least 200 °C above the curing temperature for component A, which tar has a softening point lower than 60 °C R & B, with 92 - 99 percent by weight of the binder consisting of A + B, where component B makes up between 40 and 90 percent by weight of this component mixture, and the catalyst 8-1 percent by weight of the total mixture.

Oppfinnelsen skal nå beskrives noe nærmere med støtte i vedlagte tegninger. Fig. 1 er en sammenstillingstegning av den inerte anodetoppen og forbruksanoden. Fig. 2 viser en alternativ utforming av kontaktboltene, mens fig. 3 er en perspektivskisse av den inerte anodetopp. 1 angir karbonkjernen, vanligvis av grafitt med et indre sjikt 2 av karbonbundet SiC som igjen er beskyttet med sjiktet 3 bestående av kalsiumaluminatbundet SiC. Med limsjiktet 4 er forbruksanoden 5 limt fast under karbonkjernen. The invention will now be described in more detail with the support of the attached drawings. Fig. 1 is an assembly drawing of the inert anode top and the consumable anode. Fig. 2 shows an alternative design of the contact bolts, while Fig. 3 is a perspective view of the inert anode top. 1 indicates the carbon core, usually of graphite with an inner layer 2 of carbon-bonded SiC which in turn is protected by layer 3 consisting of calcium aluminate-bonded SiC. With the adhesive layer 4, the consumable anode 5 is glued firmly under the carbon core.

I karbonkjernen er det spor 6 hvori er festet kontaktboltene 7 som igjen ved åket 8 er elektrisk og mekanisk forbundet med anodestangen 9. In the carbon core there is a groove 6 in which the contact bolts 7 are attached, which are again electrically and mechanically connected to the anode rod 9 at the yoke 8.

Det er et poeng ved oppfinnelsen at sporene 6 er utformet således at kontaktboltene 7 med stangen 9 kan skyves sideveis inn i sporet og så fastlåses der. Spor 6 med kontaktboltene 7 samt fastlåsingen kan utformes på forskjellige måter, og oppfinnelsen er ikke begrenset til den utførelse som er vist her i fig. 2 hvor en kile 10 fikserer kontaktbolten 7 i sporet 6. It is a point of the invention that the grooves 6 are designed so that the contact bolts 7 with the rod 9 can be pushed laterally into the groove and then locked there. Track 6 with the contact bolts 7 and the locking can be designed in different ways, and the invention is not limited to the design shown here in fig. 2 where a wedge 10 fixes the contact bolt 7 in the slot 6.

Arbeidsgangen ved fremstilling av karbonkjerner ifølge oppfinnelsen The workflow for the production of carbon cores according to the invention

blir i alt vesentlig den samme som ved fremstilling av forbrente anoder forøvrig. Karbonkjernen kan bestå av grafitt som maskineres eller av et spesielt fremstilt karbonlegeme dannet ved vibrasjons-forming eller stamping som så stekes (brennes, bakes) med innlagte trelister for de ønskede utsparinger. Karbonkjernen påføres så de(t) beskyttende belegg som luftkjøles og herdes før den avsluttende steking. is essentially the same as in the production of burned anodes otherwise. The carbon core can consist of graphite which is machined or of a specially produced carbon body formed by vibration forming or stamping which is then roasted (burned, baked) with inlaid wooden strips for the desired recesses. The carbon core is then applied to the protective coating(s) which are air-cooled and hardened before the final firing.

De nødvendige utsparinger kan også helt eller delvis fremstilles ved mekanisk bearbeiding, utfresing etter brenning av karbonkjernen, men de(t) beskyttende sjikt kan da forlange en ekstra varmebehandling. The necessary recesses can also be produced in whole or in part by mechanical processing, milling out after burning the carbon core, but the protective layer(s) may then require an additional heat treatment.

Avhengig av produksjonsopplegget limes forbruksanoden 5 fast til undersiden av karbonkjernen 1 før eller etter montering av kontaktboltene 7 med anodestangen 9- Depending on the production plan, the consumable anode 5 is glued firmly to the underside of the carbon core 1 before or after mounting the contact bolts 7 with the anode rod 9-

Når forbruksanoden 5 er forbrent tas den ut med åk og henger og restene av forbruksanoden + limsjiktet skjæres eller freses av den inerte karbonkjernen 6 før en ny forbruksanode 5 limes på. When the consumable anode 5 is burnt, it is taken out with a yoke and hanger and the remains of the consumable anode + the adhesive layer are cut or milled from the inert carbon core 6 before a new consumable anode 5 is glued on.

Oppfinnelsen betyr en betydelig reduksjon av anoderestene. The invention means a significant reduction of anode residues.

/1/ G.V. Samsonov og A.P. Epik /1/ G.V. Samsonov and A.P. Epic

Coatings of High-Temperature Materials Coatings of High-Temperature Materials

1966, Plenum Press, New York 1966, Plenum Press, New York

12/ K. Billehaug and H.A. Øye, Aluminium 56 (1980) 12/ K. Billehaug and H.A. Eye, Aluminum 56 (1980)

Side 642-648 og Pages 642-648 and

side 713-718 pages 713-718

/3/ K. Billehaug and H.A. Øye, Aluminium 57 (1981) /3/ K. Billehaug and H.A. Eye, Aluminum 57 (1981)

Side 146/150 og Page 146/150 and

side 228/231 page 228/231

/4/ H. Schulz, W.D. Eckel, K.E. Etxel, P.R. Aeschbach og H. Friedly. /4/ H. Schulz, W.D. Eckel, K.E. Etxel, P.R. Aeschbach and H. Friedly.

Light Metals. 1982, side 661-669. Light Metals. 1982, pages 661-669.

Claims

1. Burnt anode, with reduced carbon loss* for use in the production of aluminum by melt electrolysis, characterized in that it comprises an inert anode top consisting of a carbon body (1) as a core provided with one (2) or more (3) protective layers and where this core is connected to the contact bolts (7) in a yoke (8) on an anode rod (9) and where a consumable carbon anode is glued under the inert anode top.

2. Anode according to claim 1, characterized in that the carbon core (1) is covered with a layer of carbon-bonded SiC or AI2O3 and that this layer is protected with a layer of calcium aluminate-bonded SiC or AI2O3.

3- Anode according to claim 1, characterized in that the carbon core (1) is coated with a layer of calcium aluminate bound A^O-^.

4. Anode according to claim 1, characterized in that the carbon core (1) is coated with a layer of molten slag which is foamed from liquid aluminum during its casting.

5. Anode according to claim 1, characterized in that the carbon core is provided with grooves (6) which are adapted to the contact bolts whereby the bolts can be pushed into the grooves and locked.

6. Process for the production of burnt anodes with reduced carbon loss for use in the production of aluminum by melt electrolysis, characterized in that the consumable anode (5) is glued (4) firmly under an inert anode top which is freed of anode carbon residues after use and then a new consumable anode is glued.

7- Method according to claim 6, characterized in that a fast-setting adhesive is used with a binder, liquid at room temperature, consisting of a mixture of two components A and B, and a catalyst, where component A is catalytically hardening in the temperature range 10 - 250 °C , and consists of partially polymerized furfuryl resin, based on self-condensed furfuryl alcohol, with max. 50 weight percent monomer and max. viscosity 500mPas, and component B is tar that turns into a solid state at least 200 °C above the curing temperature for component A, which tar has a softening point lower than 60 °C R & B, with 92 - 99 percent by weight of the binder consisting of A + B, where component B makes up between 40 and 90 percent by weight of this component mixture, and the catalyst 8-1 percent by weight of the total mixture.