NO154433B - Forankring for katodestav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår forankring for en katodestav

i et spor i en karbonblokk, særlig for anvendelse i en smeltelektrolysecelle for fremstilling av aluminium, idet det i hver sidevegg i forankringssporet er anordnet en ut-tagning som strekker seg over hele karbonblokkens lengde og er utformet for å ta opp en støpejernmantel som utfyller mellomrommet mellom katodestaven og sporet.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminium-

oksyd oppløses dette oksyd i en fluoridsmelte, som for største delen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder,

som ved vanlige utvinningsprosesser består av amorft karbon.

Ved elektrolysisk spalting av aluminiumoksyd utvikles ved

disse karbonanoder oksygen som forbinder seg med anodenes karbonmaterial til CO^ og CO. Elektrolysen finner sted innenfor et temperaturområde fra ca. 940 til 970°C .

Elektrolysecellens karbonbunn utgjøres av katodeelementer,

hvori det er anordnet en gjennomløpende jernstav eller en jernstav som er oppdelt på midten. For å oppnå optimalt strømutbytte i cellen, må den elektriske overgangsmotstand mellom jernstavene og karbonblokken være minst mulig. For-bindelsen mellom karbonblokken og jernstavene kan oppnås på forskjellige måter, f.eks. ved innstampning med en stampe-masse, innstøpning med støpejern eller innklebning.

Karbonblokkene og jernstavene forekommer i hittil kjente elektrolyseceller i forskjellige dimensjoner med hensyn på bredde, høyde, lengde og sporform.

Ved fremstilling av karbonbunnelementer eller katodeelementer

er for tiden innstøpningteknikken sterkt utbredt. En jernstav som legges inn i spor i karbonblokken forbindes med karbonmaterialet ved omstøpning med støpejern. De innlagte jernstaver i forankringssporet forvarmes sammen med karbonmaterialet og avkjøles etter innstøpningen til omgivelse-

temperatur. Da jernets varmeutvidelse og- sammentrekning er flere ganger større enn den tilsvarende parameter for karbon, oppstår det ved avkjølingen en spalte mellom karbonmaterialet og støpejernet. Ved innbygning av katodeelementet med jernstav i en elektrolysecelle, lukkes først denne spalte under temperaturstigningen når elektrolysecellen settes i drift, således at det oppstår elektrisk og mekanisk kontakt mellom jern og karbonmaterial.

Hvis imidlertid den spalt som er dannet under sammentrekningen utfylles før arbeidstemperaturen er nådd, kan imidlertid den raskt utvidende jernstav utøve en så sterk kraft på karbonmaterialet i katodeelementene, at det oppstår sprekker i katodens lengderetning.

Spaltens lukking ved anlegg av katodestaven mot karbonmaterialet ved igangsetning av cellen, avhenger av forskjellige drifts^-parametere, f.eks. av formen av karbonblokken (spor) og jernstaven, forvarmningstemperaturen for jern og karbon, forvarm-ingens art, samt støpejernets sammensetning og innstøpning-temperatur. Ofte anordnes i karbonblokken et.spor som er utformet med svalehaleformet tverrsnitt. I dette spor innlagres jernstaven og forankres ved hjelp av innstøpt grått støpejern i karbonblokken. Som en ulempe ved en sådann forankring av katodestavene har det imidlertid vist seg at den spalt som ved avkjøling og rask sammentrekning av støpejernet og staven oppstår mellom de grå støpejern og veggene i karbonblokkens svalehalespor, er tilstrekkelig til å tillate en liten for-skyvning av den støpejerninnleirede jernstav i sporet, når f.eks. katodeelementet dreies fra innstøpningsstilling til arbeidsstilling og/eller elektrodeblokken rystes under tran-sport eller ved innstampning av fuge- og kantstampemasse• Spalten mellom det grå støpejern og svalehalesporets vegg innsnevres da utillatelig, hvilket vil si at det finner sted' en fastkiling, således at jernet ved oppvarming spreng-er karbonmaterialet som bare utvider seg en fjerdedel av det jernet gjør.

Det fastkilte jern i svalehalesporet kan p.g.a. den store friksjonskoefisient mellom jern og karbon neppe bringes til-bake til sin opprinnelige stilling. Spalten mellom sporets bunnflate og jernet som har forskjøvet seg nedover, forblir således uforandret og fører til dårlig elektrisk kontakt og dermed til energitap. Disse tap forsterkes ved langsgående sprekker eller til og med avbrutte stykker i karbonblokken,

og faren for skade p.g.a av inntrengende aluminium under cellens drift øker kraftig.

I DE-OS 24 05 461 foreslås en sporform som ved alle de nevnte prosesser holder de innstøpte staver i samme stilling som ved innstøpningen, således at ingen fastkiling kan forekomme. I hver av sporets sidevegger er det da anordnet minst en ut-tagning, som tjener til forankring av minst et fremspring på den støpejernmantel som omslutter staven. Stavens forskyvnings-tendenser i lengderetningen er imidlertid ikke helt tilfreds-stillende (særlig ikke ved lengre karbonblokker), skjønt de krefter som oppstår holder seg klart under karbonmaterialets sprekkverdier og derved hindrer en utbrytning.

Det er derfor et formål for oppfinnelsen ? frembringe en sådan forankring for en katodestav i et spor i en karbonblokk,

at blokken ikke utsettes for noen skade ved og etter inn-støpningen, men oppviser en overgang mellom jern og karbon med nedsatt elektrisk spenningsfall, er økonomisk å fremstille samt oppviser en forholdsvis god glideevne i lengderetningen.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at uttagningen i blokkens arbeidsstilling danner divergerende skråflater i det øvre området av sporet i retning mot sporets åpning, og skråflatene ved sine nedre ender går over i omtrent horisontale anleggsflater, som ender i sporets tilsvarende sidevegger. En korrekt innstøpt jernstav med rektangelformet eller kvadratisk tverrsnitt kan i innstøpningsstillingen inntil avkjølningen høyst sige ned tilsvarende jernets krympningsmål. Derved oppstår en spalt langs skråflatene, anleggsflåtene samt sporets vertikale sidevegger. Ved innbygning av katodeelementene dreiet i arbeidsstilling, og senest ved innstampning av stampe-masse i fugene og langs kanten, vil imidlertid den innstøpte barre atter forskyves i samme stilling som ved innstøpningen. Ved igangsettingen av elektrodecellen oppvarmes katodeelementene til arbeidstemperatur, hvorved såvel jernstaven som inn-støpningsjernet utvider seg sterkere enn karbonmaterialet. Ved den termiske utvidelse presses jernet optimalt i den koniske form av sporets øvre del (arbeidsstilling) og frem-bringer derved en god elektrisk kontakt mellom jern og karbonmaterial. De omtrent horisontale opplagringsflater gjør derved tjeneste som mothold.

Den del av sporet som ligger øverst i arbeisstilling er ut-sparret på sådan måte at også den innstøpte barre har tilstrekkelig glideevhe i lengderetningen.

Hensiktsmessig forløper den omtrent horisontale anleggsflate for den innstøpte katodestav parallelt med bunn- og toppfalten for den karbonblokk som sporet er anordnet i.

Høyden av de divergerende skfåflater i retning av sporåpningen, hvilket vil si de avskrånede sideflater, utgjør fortrinnsvis 40 - 70% av sporets dybde. Ved for liten høyde av disse skråflater er det ikke mulig helt å oppnå den tilsiktede virkning i henhold til oppfinnelsen. Ved for stor høyde foreligger det derimot fare for at det skal oppstå sprekker ved oppvarming av cellen til arbeidstemperatur, eller t.o.m at den del av karbonblokken som ligger under anleggsflåtene vil bli fraskilt. Av disse stabilitetsgrunner går de avskrånede flater, fortrinnsvis etter en avrunding, direkte over i sporets bunnflate.

Avstanden fra den omtrent horisontale anleggsflate til den bunnflate av karbonblokken som sporet er anordnet i, utgjør altså minst 30% av spordybden.

Skråflatenes vinkelstilling i forhold til vertikalen er såvel i innstøpningsstillingen som i arbeidstillingen fortrinnsvis 3 til 15%. Ved for stor vinkel mellom skråflate og vertikalen svekkes karbonblokkene i for sterkt grad, samtidig som ut-videlsen av det innstøpte jern kan bli for stor, og katodestaven kan bøye seg i lengderetningen som følge av for sterk opphetning. Ved for liten vinkel kan derimot anleggsflaten bli for liten. For å oppnå det nødvendige anleggstrykk for å sikre god elektrisk kontakt mellom jern og karbonmaterial kan det rives av en liten avsats?

Katodeelementer som er dreiet i arbeisstilling kan på vanlig måte sammenføyes til en karbonbunn, men de innstøpte katode-staver kan da ikke kile seg fast i sporet.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av utførelse-eksempler og under henvisning til den vedføyde tegning, hvorpå: fig. 1 viser et vertikalsnitt gjennom et avkjølt katodeelement i innstøpningsstilling, og

fig. 2 viser et avkjølt katodeelement dreiet i arbeisstilling.

Fig. 1 viser en innstøpt katodestav 11 i en karbonblokk 10 i innstøpningsstilling, hvori det dannede katodeelement imidlertid allerede er nedkjølt. Det utsparrede spor 12 i karbonblokken 10 har imidlertid trykket seg mindre sammen enn katodestaven 11 og dens omgivende støpejernssjikt 13. Mellom de konvergerende skråflater 14 i retning av sporåpningen, de vertikale sidevegger 15 og anleggsflåtene 16 på den ene side og støpejernmantelen 13 på den annen side dannes da en spalt 17. Den innstøpte katodestav 11 er sunket inn under planet for bunnflaten 18. Denne flate kommer i motsetning til dekkflat-en 20 ikke i kontakt med det flytende metall i elektrolyse-karet når cellen er i drift.

Bunnflaten 24 av sporet 12 med dybde t går over en avrunding

22 over i de konvergerende skråflater 14, som på sin side oppviser en høyde h. Skråningsvinkelen for disse skråflater i forhold til vertikalen har fått betegnelsen

Ved det katodeelement som er vist dreiet i arbeidsstilling i fig. 2, er jernstaven 11 forskjøvet slik at undersiden av støpejernet ligger i planet for bunnflaten 18 av karbonblokken 10, slik som for før sammentrekningen av jern og karbonmaterial. Spalten 17 strekker seg nå langs de vertikale

sidevegger 15, skråflater 14, avrundingen 22 og bunnflaten 24 av sporet 12. Støpejernet 13 ligger an mot anleggsflaten 16 og hindrer at støpejernet kommer i klem mellom sporets sidevegger .

Ved oppvarming av katodeelementet til arbeidstemperatur vir-ker anleggsflåtene 16 som mothold, mens støpejernet 13 presses i sådan grad mot karbonmaterialet at det oppnås god elektrisk overgangsmotstand.

Claims (6)

1. Forankring for en katodestav (11) i et spor (12) i en karbonblokk (10), særlig for anvendelse i en smelteelektro-lysecelle for fremstilling av aluminium, idet det i hver sidevegg (15) i forankringssporet (12) er anordnet en uttag-ning som strekker seg over hele karbonblokkens lengde og er utformet for å ta opp en støpejernmantel (13) som utfyller mellomrommet mellom katodestaven (11) og sporet (12), karakterisert ved at uttagningen i blokkens arbeidsstilling danner divergerende skråflater (14) i det øvre området av sporet (12) i retning mot sporets åpning, og skråflatene ved sin nedre ende går over i omtrent horisontale anleggsflater (16), som ender i sporets tilsvarende sidevegger (15).

2. Forankring som angitt i krav 1, karakterisert ved at anleggsflåtene (16) forløper parallelt med bunn- og toppflate (18, 20) på karbonblokken (10) .

3. Forankring som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at høyden (h) av de konvergerende skråflater (14) utgjør 40 - 10% av spordybden (t).

4. Forankring som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at de divergerende skråflater (14), fortrinnsvis over en avrunding (22), går direkte ut i fra bunnflaten (24) av sporet (12).

5. Forankring som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at anleggsflåtenes (14) avstand fra den bunnflate (18) av karbonblokken (10) som er forsynt med spor (12) utgjør minst 30% av sporets dybde (t).

6. Forankring som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at de konvergerende sideflaters (14) skråstilling («) i forhold til vertikalen ligger mellom 3 og 15°C.