NO172451B - CELL FOR ELECTROLYTIC REDUCTION OF ALUMINUM OXYDE, COATING MATERIAL AND CATHOD FOR SUCH CELL AND METHOD OF PRODUCING CATODE SURFACE MATERIAL - Google Patents

CELL FOR ELECTROLYTIC REDUCTION OF ALUMINUM OXYDE, COATING MATERIAL AND CATHOD FOR SUCH CELL AND METHOD OF PRODUCING CATODE SURFACE MATERIAL Download PDF

Info

Publication number
NO172451B
NO172451B NO841015A NO841015A NO172451B NO 172451 B NO172451 B NO 172451B NO 841015 A NO841015 A NO 841015A NO 841015 A NO841015 A NO 841015A NO 172451 B NO172451 B NO 172451B
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
coating
carbon
refractory
cell
cathode
Prior art date
Application number
NO841015A
Other languages
Norwegian (no)
Other versions
NO172451C (en
NO841015L (en
Inventor
Larry George Boxall
William Mark Buchta
Arthur Vicars Cooke
Dennis Charles Nagle
Douglas William Townsend
Original Assignee
Comalco Alu
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US06/400,773 external-priority patent/US4466996A/en
Priority claimed from US06/400,772 external-priority patent/US4526911A/en
Priority claimed from US06/400,762 external-priority patent/US4544469A/en
Priority claimed from PCT/US1983/001095 external-priority patent/WO1984000566A1/en
Application filed by Comalco Alu filed Critical Comalco Alu
Publication of NO841015L publication Critical patent/NO841015L/en
Publication of NO172451B publication Critical patent/NO172451B/en
Publication of NO172451C publication Critical patent/NO172451C/en

Links

Landscapes

  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en celle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd, beleggmateriale omfattende ildfast, hardt materiale og karbon, aluminiumfuktbar katode for en aluminiumreduksjonscelle samt fremgangsmåte for fremstilling av katodeoverflatemateriale for nevnte celle. The present invention relates to a cell for electrolytic reduction of aluminum oxide, coating material comprising refractory, hard material and carbon, aluminum wettable cathode for an aluminum reduction cell as well as method for producing cathode surface material for said cell.

Fremstilling av aluminium utføres konvensjonelt ved den elektrolytiske reduksjonsprosess ifølge Hall-Heroult, hvorved aluminiumoksyd oppløses i smeltet kryolitt og elektrolyseres ved temperaturer fra 900 til 1000°C. Denne prosess utføres i en reduksjonscelle som typisk omfatter et stålskall forsynt med en isolerende foring av egnet ildfast materiale, som igjen er forsynt med en foring av karbon som kommer i kontakt med de smeltede bestanddelene. En eller flere anoder, typisk laget av karbon, forbindes med den positive polen til en likestrømskilde, og suspendert i cellen. En eller flere lederstaver forbundet med den negative polen til en kilde for direkte likestrøm, er innleiret i karbonkatodesubstratet omfattende cellens gulv, og bevirker således at katodesubstratet blir katodisk ved påsetting av strøm. Dersom katodesubstratet omfatter en karbonforing, er det typisk konstruert fra en rekke forbrente katodeblokker som er stampet sammen med en blanding typisk bestående av antrasitt, koks og kulltjærebek. Production of aluminum is conventionally carried out by the electrolytic reduction process according to Hall-Heroult, whereby aluminum oxide is dissolved in molten cryolite and electrolysed at temperatures from 900 to 1000°C. This process is carried out in a reduction cell which typically comprises a steel shell provided with an insulating lining of suitable refractory material, which in turn is provided with a lining of carbon which comes into contact with the molten constituents. One or more anodes, typically made of carbon, are connected to the positive terminal of a direct current source, and suspended in the cell. One or more conductor rods connected to the negative pole of a source of direct direct current are embedded in the carbon cathode substrate comprising the floor of the cell, thus causing the cathode substrate to become cathodic when current is applied. If the cathode substrate comprises a carbon liner, it is typically constructed from a number of burnt cathode blocks which have been rammed together with a mixture typically consisting of anthracite, coke and coal tar pitch.

I denne konvensjonelle utførelse av Hall-Heroult-cellen virker den smeltede aluminiumdam eller -ansamling dannet under selve elektrolysen, som en del av katodesystemet. Varigheten av karbonforingen eller katodematerialet kan være gjennomsnittlig 3-8 år, men kan være kortere under ugunstige betingelser. Nedbryting av karbonforingsmaterialet skyldes erosjon og inntrengning av elektrolytt og flytende aluminium samt innskudd av metallisk natrium, som forårsaker svelling og deformasjon av karbonblokkene og stampeblandingen. In this conventional design of the Hall-Heroult cell, the molten aluminum pool or pool formed during the electrolysis itself acts as part of the cathode system. The duration of the carbon liner or cathode material may average 3-8 years, but may be shorter under adverse conditions. Degradation of the carbon lining material is due to erosion and ingress of electrolyte and liquid aluminum as well as deposits of metallic sodium, which cause swelling and deformation of the carbon blocks and stamping mixture.

Vanskeligheter ved celleoperasjon har innbefattet overflate-effekter på karbonkatoden under aluminiumansamlingen, slik som akkumulering av uoppløst materiale (slam eller skitt) som danner isolerende områder på cellebunnen. Inntrengning av kryolitt gjennom karbonlegemet bevirker forskyvning av katodeblokkene. Aluminiuminntrengning til jernkatodestavene resulterer i overskudd jerninnhold i aluminiummetallet, eller i mer alvorlige tilfeller en uttapping. En annen alvorlig ulempe for karbonkatoden er at den ikke fuktes av aluminium, nødvendighet for opprettholdelse av en vesentlig damhøyde eller ansamlingshøyde av metall for å sikre en effektiv kontakt av smeltet aluminium over katodeoverflaten. Et problem med opprettholdelse av en slik aluminiumdam er at elektromagnetiske krefter skaper bevegelser og stående bølger i det smeltede aluminium. For å unngå kortslutning mellom metallet og anoden, må anode-til-katode-avstanden (ACD) holdes ved sikre 4-6 cm i de fleste konstruksjoner. For ethvert gitt celleanlegg er det en minimum ACD under hvilken det er et alvorlig tap av strømeffektivitet på grunn av kortslutning av metall (aluminium)-ansamlingen til anoden, hvilket resulterer fra ustabilitet hos metallansaml ingen kombinert med forøket tilbakereaksjon under betingelser med sterk omrøring. Den elektriske motstand for mellom-elektrode-avstanden som tilbakelegges av strømmen gjennom elektrolytten forårsaker et spenningsfall i området 1,4-2,7 volt, hvilket representerer 30-60# av spenningsfallet i en celle, og er det største enkelte spenningsfall i en gitt celle. Difficulties in cell operation have included surface effects on the carbon cathode beneath the aluminum build-up, such as accumulation of undissolved material (sludge or dirt) forming insulating areas on the cell bottom. Penetration of cryolite through the carbon body causes displacement of the cathode blocks. Aluminum penetration into the iron cathode rods results in excess iron content in the aluminum metal, or in more severe cases, a draining. Another serious disadvantage of the carbon cathode is that it is not wetted by aluminum, necessitating the maintenance of a substantial pond height or accumulation height of metal to ensure effective contact of molten aluminum across the cathode surface. A problem with maintaining such an aluminum pond is that electromagnetic forces create movements and standing waves in the molten aluminum. To avoid short-circuiting between the metal and the anode, the anode-to-cathode distance (ACD) must be kept at a safe 4-6 cm in most designs. For any given cell plant, there is a minimum ACD below which there is a severe loss of current efficiency due to short-circuiting of the metal (aluminum) build-up to the anode, resulting from instability of the metal build-up combined with increased back-reaction under conditions of strong agitation. The electrical resistance of the inter-electrode distance traveled by the current through the electrolyte causes a voltage drop in the range of 1.4-2.7 volts, which represents 30-60# of the voltage drop in a cell, and is the largest single voltage drop in a given cell.

For å redusere ACD og tilknyttet spenningsfall, har utstrakt forskning ved anvendelse av ildfaste, harde materialer (RHM), slik som TiB£, som katodematerialer blitt utført siden 1950-årene. T1B2 er bare meget tungt oppløselig i aluminium, er sterkt ledende og fuktes av aluminium. Denne fuktbarhets-egenskap tillater at en aluminiumfilm kan avsettes elektrolytisk direkte på en RHM-katodeoverflate og unngår nødvendig-heten for en aluminiumansamling. På grunn av et titandiborid og lignende ildfaste, harde materialer fuktes av aluminium, motstår det korroderende miljø i en reduksjonscelle, og er utmerkede elektriske ledere, har flere cellekonstruksjoner ved anvendelse av ildfaste, harde materialer vært foreslått i et forsøk på å spare energi, delvis ved å redusere anode-til-katode-avstanden. To reduce ACD and associated voltage drop, extensive research using refractory hard materials (RHM), such as TiB£, as cathode materials has been conducted since the 1950s. T1B2 is only very poorly soluble in aluminium, is highly conductive and is wetted by aluminium. This wettability property allows an aluminum film to be electrodeposited directly onto an RHM cathode surface and avoids the need for an aluminum build-up. Because a titanium diboride and similar refractory hard materials are wetted by aluminum, resist the corrosive environment of a reduction cell, and are excellent electrical conductors, several cell designs using refractory hard materials have been proposed in an effort to save energy, in part by reducing the anode-to-cathode distance.

Bruken av strømledende elementer av titandiborid i elektrolytiske celler for fremstilling eller raffinering av aluminium er beskrevet i følgende eksempelvise US-patenter: 4.915.442, 3.028.324, 3.215.615, 3.314.876, 3.330.756, 3.156.639, 3.274.094 og 3.400.061. Til tross for de temmelig utstrakte bestrebelser som har vært foretatt tidligere, som disse og andre patenter tyder på, og de potensielle fordeler med bruken av titandiborid som et strømledende element, synes ikke slike sammensetninger å ha blitt kommersielt tilpasset i noen betydelig målestokk innen aluminumindustrien. Mangel på mottagelse av TiB2~ eller RHM-strømledende elementer i den tidligere teknikk, skyldes deres mangel på stabilitet ved anvendelse i elektrolytiske reduksjonsceller. Det har vært rapportert at slike strømledende elementer svikter etter relativt korte bruksperioder. En slik svikt har vært forbundet med inntrengning i den selvbundne RHM-struktur av elektrolytten, og/eller aluminium, for derved å bevirke kritisk svekkelse med følgelig sprekkdannelse og svikt. Det er velkjent at væskefaser som trenger inn i korngrensene hos faste stoffer kan ha uønskede effekter. F.eks., RHM-fliser hvori oksygenurenheter har tendens til å segregeres langs korngrensene, er mottagelige for hurtig angrep av aluminium-metall og/eller kryolittbad. Tidligere kjente teknikker for bekjempelse av TiB2~flis-desintegrasjon i aluminiumceller har vært å bruke høyt raffinert TiB2~pulver for fremstilling av flisen, inneholdende mindre enn 50 ppm oksygen til 3 eller 4 ganger prisen for kommersielt rent TiB2-pulver inneholdende ca. 3000 ppm oksygen. Fremstilling øker dessuten ytterligere prisen vesentlig på slike fliser. Det er imidlertid ikke kjent at noen celler som benytter TiB2~fliser har blitt operert med hell i lengre tidsrom uten tap av adhesjon av flisene til katoden, eller desintegrering av flisene. Andre foreslåtte grunner for svikt av RHM-fliser og —belegg, har vært oppløseligheten av sammensetningen i smeltede aluminlum-eller smeltet flussmiddel, eller mangelen på mekanisk styrke og motstandsdyktighet overfor termisk sjokk. Videre, forskjellige typer av TiB2-beleggmaterialer, påført på karbonsubstrater, har sviktet på grunn av forskjellig termisk ekspansjon mellom titandiboridmaterialet og karbonkatodeblokken. Såvidt man vet, har ingen tidligere kjente RHM-holdige materialer med hell vært i operasjon som et kommersielt benyttet katodesubstrat på grunn av termisk ekspansjons-mistilpasning, bindingsproblemer osv. The use of current-conducting elements of titanium diboride in electrolytic cells for the production or refining of aluminum is described in the following exemplary US patents: 4,915,442, 3,028,324, 3,215,615, 3,314,876, 3,330,756, 3,156,639, 3,274. 094 and 3,400,061. Despite the rather extensive efforts that have been made in the past, as these and other patents indicate, and the potential advantages of the use of titanium diboride as a conductive element, such compositions do not appear to have been commercially adapted on any significant scale in the aluminum industry. Lack of acceptance of TiB2~ or RHM current conducting elements in the prior art is due to their lack of stability when used in electrolytic reduction cells. It has been reported that such current-conducting elements fail after relatively short periods of use. Such a failure has been associated with penetration into the self-bonded RHM structure of the electrolyte, and/or aluminium, thereby causing critical weakening with consequent crack formation and failure. It is well known that liquid phases penetrating the grain boundaries of solids can have undesirable effects. For example, RHM tiles in which oxygen impurities tend to segregate along the grain boundaries are susceptible to rapid attack by aluminum metal and/or cryolite baths. Previously known techniques for combating TiB2~ chip disintegration in aluminum cells have been to use highly refined TiB2~ powder for the production of the chip, containing less than 50 ppm oxygen at 3 or 4 times the price of commercially pure TiB2 powder containing approx. 3000 ppm oxygen. Manufacturing also significantly increases the price of such tiles. However, it is not known that any cells using TiB2 ~ tiles have been operated successfully for extended periods of time without loss of adhesion of the tiles to the cathode, or disintegration of the tiles. Other suggested reasons for the failure of RHM tiles and coatings have been the solubility of the composition in molten aluminum or molten flux, or the lack of mechanical strength and resistance to thermal shock. Furthermore, various types of TiB2 coating materials, applied to carbon substrates, have failed due to differential thermal expansion between the titanium diboride material and the carbon cathode block. To the best of our knowledge, no prior known RHM-containing materials have been successfully in operation as a commercially used cathode substrate due to thermal expansion mismatch, bonding problems, etc.

TJS-PS 3.400.061 til Lewis et al., overdratt til Kaiser Aluminium, lærer f.eks. en cellekonstruksjon med en drenert og fuktet katode, hvor katodeoverflaten av ildfast, hardt materiale består av en blanding av ildfast, hardt materiale, minst 5% karbon og vanligvis 10-20 vekt-# bek-bindemiddel, brent ved 900°C eller høyere. Ifølge patentet har en slik sammensatt katode en høyere grad av dimensjonsstabilitet enn et som tidligere har vært tilgjengelig. Det sammensatte katodebeleggmaterialet ifølge dette patentet kan stampes på plass i cellebunnen. Denne teknikk har imidlertid ikke vært utbredt benyttet på grunn av mottageligheten for angrep av elektrolyttbadet, slik det lære i et senere Kaiser Aluminium US-PS 4.093.514 til Payne. TJS-PS 3,400,061 to Lewis et al., assigned to Kaiser Aluminum, teaches e.g. a cell construction with a drained and wetted cathode, where the cathode surface of refractory hard material consists of a mixture of refractory hard material, at least 5% carbon and usually 10-20 wt-# of pitch binder, fired at 900°C or higher. According to the patent, such a composite cathode has a higher degree of dimensional stability than previously available. The composite cathode coating material according to this patent can be stamped into place in the cell bottom. However, this technique has not been widely used because of its susceptibility to attack by the electrolyte bath, as taught in a later Kaiser Aluminum US-PS 4,093,514 to Payne.

Nevnte US-PS 4.093.524 til Payne, definerer en forbedret fremgangsmåte for binding av titandiborid og andre ildfaste, harde materialer, til et ledende substrat slik som grafitt eller silisiumkarbid. Katodeoverflaten er fremstilt fra titandiboridfliser med en tykkelse på 0,3-2,5 cm. De store forskjellene i termiske ekspansjonskoeffisienter mellom slike fliser av ildfast, hardt materiale og karbon utelukker imidlertid dannelsen av en binding som vil være effektiv både ved romtemperatur og ved cellens operasjonstemperaturer. Bindingen dannes følgelig in situ ved grenseflaten mellom flisen av ildfast, hardt materiale og karbonet ved en reaksjon mellom aluminium og karbon for dannelse av aluminiumkarbid nær cellens operasjonstemperatur. Siden bindingen ikke dannes før høye temperaturer er oppnådd, blir imidlertid flisene lett forskjøvet under oppstartingsdriften. Bindingen akselereres ved føring av elektrisk strøm over overflaten, hvilket resulterer i en meget tynn aluminiumkarbidbinding. Angrep av aluminium og/eller elektrolytt på bindingen resulterer Imidlertid, dersom flisene monteres for langt fra hverandre, og dersom platene monteres for nær hverandre, utbules de ved driftstemperatur hvilket resulterer i hurtig nedbrytning av celleforingen og i forstyrrelse av celleopera-sjoner. Denne idé har følgelig ikke blitt utbredt benyttet. Said US-PS 4,093,524 to Payne defines an improved method for bonding titanium diboride and other refractory hard materials to a conductive substrate such as graphite or silicon carbide. The cathode surface is made from titanium diboride tiles with a thickness of 0.3-2.5 cm. However, the large differences in thermal expansion coefficients between such tiles of refractory, hard material and carbon preclude the formation of a bond that will be effective both at room temperature and at the operating temperatures of the cell. The bond is consequently formed in situ at the interface between the chip of refractory, hard material and the carbon by a reaction between aluminum and carbon to form aluminum carbide close to the cell's operating temperature. However, since the bond does not form until high temperatures are reached, the tiles are easily displaced during the start-up operation. The bond is accelerated by passing electric current over the surface, resulting in a very thin aluminum carbide bond. Attack of aluminum and/or electrolyte on the bond results. However, if the tiles are mounted too far apart, and if the plates are mounted too close together, they bulge at operating temperature which results in rapid breakdown of the cell lining and in disruption of cell operations. Consequently, this idea has not been widely used.

I US-PS 3.661.736 definerer Holliday en billig og dimensjons-stabil komposittkatode for en drenert og fuktet celle, omfattende partikler eller klumper av lysbuesmeltet "RHM-legering" innleiret i en elektrisk ledende grunnmasse. Grunnmassen består av karbon eller grafitt, og et pulverformig fyllstoff, slik som aluminiumkarbid, titankarbid eller titannitrid. Ved drift av en slik celle, angriper imidlertid elektrolytt og/eller aluminium korngrenser i lysbuesmeltet legering av ildfast, hardt materiale, samt de store arealer av karbon- eller grafitt-grunnmasse, i en hastighet på omkring 1 cm pr. år, hvilket leder til tidlig ødeleggelse av den katodiske overflate. In US-PS 3,661,736, Holliday defines an inexpensive and dimensionally stable composite cathode for a drained and wetted cell, comprising particles or lumps of arc-melted "RHM alloy" embedded in an electrically conductive matrix. The base material consists of carbon or graphite, and a powdered filler, such as aluminum carbide, titanium carbide or titanium nitride. When operating such a cell, however, electrolyte and/or aluminum attack grain boundaries in the arc-melted alloy of refractory, hard material, as well as the large areas of carbon or graphite matrix, at a rate of about 1 cm per second. years, which leads to early destruction of the cathodic surface.

US-PS 4.308.114 til Das et al., beskriver en katodeoverflate ildfast, hardt materiale i en grafittgrunnmasse. I dette tilfellet er det ildfaste, harde materialet sammensatt med et bek-bindemiddel og utsatt for grafittisering ved 2350"C eller over dette. Slike katoder er gjenstand for tidlig svikt på grunn av hurtig ablasjon og mulig innskyting og erosjon i grafittgrunnmassen. US-PS 4,308,114 to Das et al., describes a cathode surface refractory, hard material in a graphite matrix. In this case, the refractory, hard material is compounded with a pitch binder and subjected to graphitization at or above 2350°C. Such cathodes are subject to early failure due to rapid ablation and possible encrustation and erosion of the graphite matrix.

I tillegg til de ovenfor nevnte patenter, angår en rekke andre referanser bruk av titandiborid i flisform. Titandiboridfliser av høy renhet og densitet har vært testet, men de utviser vanligvis dårlig motstandsdyktighet overfor termisk sjokk og er vanskelige å binde til karbonsubstrater som benyttes i konvensjonelle celler. Mekanismer for bindingsoppløsning antas å innebære høye spenninger utviklet ved den termiske ekspansjons-mistilpasning mellom titan-diboridet og karbonet, samt aluminium-inntrengning langs grenseflaten mellom flisene og klebemidlet som holder flisene på plass, på grunn av fukting av flisens bunnoverflate med aluminium. I tillegg til bindingsoppløsning, desintegrering av selv høyere fliser kan oppstå på grunn av aluminium-inntrengning i korngrenser. Disse problemer har sammen med den høye prisen på titandiboridfliser motvirket utstrakt kommersiell anvendelse av titandiborid i konvensjonelle elektrolytiske celler, og begrenset deres bruk i nye cellekonstruksjoner. Det er formålet med foreliggende oppfinnelse å overvinne ulempene ved de tidligere forsøk på å anvende ildfaste, harde materialer som et overflatebelegg for karbonkatodeblokker, og for monolittiske katodeoverflater. In addition to the above-mentioned patents, a number of other references concern the use of titanium diboride in chip form. Titanium diboride tiles of high purity and density have been tested, but they generally exhibit poor resistance to thermal shock and are difficult to bond to carbon substrates used in conventional cells. Mechanisms for bond dissolution are believed to involve high stresses developed by the thermal expansion mismatch between the titanium diboride and the carbon, as well as aluminum intrusion along the interface between the tiles and the adhesive holding the tiles in place, due to wetting of the bottom surface of the tile with aluminium. In addition to bond dissolution, disintegration of even higher tiles can occur due to aluminum penetration into grain boundaries. These problems, together with the high price of titanium diboride tiles, have discouraged widespread commercial use of titanium diboride in conventional electrolytic cells, and limited their use in new cell designs. It is the purpose of the present invention to overcome the disadvantages of the previous attempts to use refractory, hard materials as a surface coating for carbon cathode blocks, and for monolithic cathode surfaces.

Foreliggende oppfinnelse angår aluminiumceller hvor for-bedringen omfatter bruken av et beleggmateriale av karbon og ildfast, hardt materiale, inneholdende ildfast, hardt materiale, et termoherdende bindemiddelsystem, karbonholdig fyllstoff og additiv samt modifiserende midler, som er påført på en karbonkatode og herdet in situ til en hard, seig overflate omfattende RHM i en karbonisert bindemiddelgrunn-masse. Det karbonholdige additivet som benyttes i nevnte materiale påført på katodene i cellene ifølge foreliggende oppfinnelse, kan innbefatte karbonfibrer som virker som sprekkstoppere og forsterkningsmidler. Tilstrekkelig RHM er inkorporert i beleggmaterialet til å sikre kontinuerlig aluminiumfukting av overflaten. Belegger sørger således for en økonomisk og effektiv anvendelse av fordelene til RHM i katoder, mens behovet for mer kostbare RHM-fliser elimineres. The present invention relates to aluminum cells where the improvement includes the use of a coating material of carbon and refractory, hard material, containing refractory, hard material, a thermosetting binder system, carbonaceous filler and additive as well as modifying agents, which is applied to a carbon cathode and hardened in situ to a hard, tough surface comprising RHM in a carbonized binder primer. The carbonaceous additive used in said material applied to the cathodes in the cells according to the present invention may include carbon fibers which act as crack stoppers and reinforcements. Sufficient RHM is incorporated into the coating material to ensure continuous aluminum wetting of the surface. Coating thus ensures an economical and efficient application of the advantages of RHM in cathodes, while the need for more expensive RHM tiles is eliminated.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det funnet at katode-strukturer kan belegges med ildfast, hardt materiale (RHM) kombinert med spesifiserte termoherdende bindemidler og andre materialer for å*forbedre den konvensjonelle karbonforing i en aluminiumredusjonscelle. Slike belagte katoder kombinerer fordelene hos konvensjonelle karbonforinger, slik som strukturell integritet og lav pris, med ønskede egenskaper oppnådd ved bruk av de Ildfaste, harde materialene. Slike forbedringer innbefatter fuktbarhet av smeltet aluminium, lav oppløselighet i miljø av smeltet aluminiumkryolitt, god elektrisk ledningsevne og nedsatt adhesjon av smuss. I tillegg kan foreliggende oppfinnelse anvendes i forbindelse med eksisterende reduksjonsceller uten omkostninger og tid med en fullstendig celle-rekonstruksjon, eller de høye omkostningene med fremstilling av RHM-fliser eller RHM-legeringsfliser som foreslått i den tidligere teknikk. Belegget ifølge foreliggende oppfinnelse kan også anvendes i cellekonstruksjoner som benytter skråstilte katoder. According to the present invention, it has been found that cathode structures can be coated with refractory hard material (RHM) combined with specified thermosetting binders and other materials to improve the conventional carbon lining in an aluminum reduction cell. Such coated cathodes combine the advantages of conventional carbon liners, such as structural integrity and low cost, with desired properties obtained by using the refractory, hard materials. Such improvements include wettability of molten aluminum, low solubility in the environment of molten aluminum cryolite, good electrical conductivity and reduced adhesion of dirt. In addition, the present invention can be used in connection with existing reduction cells without the costs and time of a complete cell reconstruction, or the high costs of manufacturing RHM tiles or RHM alloy tiles as proposed in the prior art. The coating according to the present invention can also be used in cell constructions that use slanted cathodes.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en celle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium, som har en katode omfattende et katodesubstrat med et aluminiumfuktbart overflatelag bundet dertil, hvor laget omfatter ildfast, hardt materiale og karbon, kjennetegnet ved at nevnte lag innbefatter ildfast, hardt materiale I en ikke-grafittiserbar karbonmatrise som har en ablasjonshastighet under operasjon av cellen som er vesentlig lik den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet, hvor nevnte overflatelag er oppnådd ved herding og karbonisering av et beleggmateriale omfattende: 10-90 vekt-# ildfast, hardt materiale; 0,5-40 vekt-56 termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiksen omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra en fenolharpiks, en furanharpiks-forløper eller en blanding derav; 2-40 vekt-Sé blandevæske; 1-60 vekt-& partikkelformig karbonholdig fyllstoff med en partikkelstørrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-# karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale som har en partikkelstørrelse som er større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte på over 25# og hvor det herdede og karboniserte belegget utviser en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg med mindre enn 0,2 fra den prosentvise ekspansjon som utvises av nevnte katodesubstrat. According to the present invention, a cell for the electrolytic reduction of aluminum oxide to aluminum is provided, which has a cathode comprising a cathode substrate with an aluminum wettable surface layer bonded thereto, the layer comprising refractory, hard material and carbon, characterized in that said layer comprises refractory, hard material In a non-graphitizable carbon matrix having an ablation rate during operation of the cell substantially equal to the combined rate of wear and dissolution of the refractory hard material, wherein said surface layer is obtained by curing and carbonizing a coating material comprising: 10-90 wt. -# refractory, hard material; 0.5-40 wt-56 thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin different from a phenolic resin, a furan resin precursor or a mixture thereof; 2-40 wt-See mixing fluid; 1-60 wt & particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 weight-# carbonaceous additive in the form of particulate material having a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers, wherein the thermosetting resin forms a resinous binder system having a char yield greater than 25# and wherein the hardened and carbonized coating shows a percentage expansion between 800 and 1000°C which differs by less than 0.2 from the percentage expansion shown by said cathode substrate.

Videre er det ifølge oppfinnelsen tilveiebragt et beleggmateriale omfattende ildfast, hardt materiale og karbon, kjennetegnet ved at det er sammensatt av 10-90 vekt-# ildfast, hardt materiale; et termoherdende bindemiddelsystem omfattende 0,5-40 vekt-# ikke-grafittiserende termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiks omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra fenolharpikser, furanharpiks-forløpere eller blandinger derav; 2-40 vekt-# blandevæske; 1-60 vekt-5é partikkelformig, karbonholdig fyllstoff med en partikkelstørrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-# karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale som har en partikkelstørrelse som er større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer; idet bindemiddelsystemet, det karbonholdige fyllstoffet og det karbonholdige additivet viser en ablasjonshastighet etter herding og karbonisering som er vesentlig lik den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet i miljøet for en aluminiumreduksjonscelle under operasjon derav, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte på over 2556 og hvor det herdede og karboniserte materiale utviser en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg med mindre enn 0,2 fra den prosentvise ekspansjon til katodesubstratet i aluminlumreduksjonscellen. Furthermore, according to the invention, a coating material comprising refractory, hard material and carbon is provided, characterized in that it is composed of 10-90% by weight of refractory, hard material; a thermosetting binder system comprising 0.5-40 wt-# of non-graphitizing thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin different from phenolic resins, furan resin precursors or mixtures thereof; 2-40 wt-# mixing fluid; 1-60 wt.-5é particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 wt-# of carbonaceous additive in the form of particulate matter having a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers; wherein the binder system, the carbonaceous filler, and the carbonaceous additive exhibit an ablation rate after curing and carbonization that is substantially equal to the combined rate of wear and dissolution of the refractory hard material in the environment of an aluminum reduction cell during operation thereof, wherein the thermosetting resin forms a resinous binder system which has a char yield greater than 2556 and where the hardened and carbonized material exhibits a percentage expansion between 800 and 1000°C that differs by less than 0.2 from the percentage expansion of the cathode substrate in the aluminum lumen reduction cell.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en aluminiumfuktbar katode for en aluminiumreduksjonscelle omfattende et katodesubstrat som har et overflatelag inneholdende ildfast, hardt materiale og karbon, kjennetegnet ved at overflatelaget er en herdet og karbonisert sammensetning av den type som er definert ovenfor. The invention also provides an aluminum wettable cathode for an aluminum reduction cell comprising a cathode substrate having a surface layer containing refractory, hard material and carbon, characterized in that the surface layer is a hardened and carbonized composition of the type defined above.

Sluttelig tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av et ildfast, hardt materiale og karbon-aluminium-fuktbar katodeoverflate for en aluminiumreduksjonscelle, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det på et katodesubstrat påføres et beleggmateriale av den ovenfor definerte typen, beleggmaterialet herdes til dannelse av et relativt hardt, adherende overflatelag, og dette laget karboniseres til dannelse av et adherende aluminiumfuktbart overflatelag omfattende ildfast hardt materiale i en ikke-grafittiserbar karbonmatrise, hvor nevnte overflatelag har en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg fra den prosentvise ekspansjon av katodesubstratet med mindre enn 0,2, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte på over 2556. Finally, the present invention provides a method for producing a refractory, hard material and carbon-aluminum wettable cathode surface for an aluminum reduction cell, and this method is characterized by the fact that a coating material of the type defined above is applied to a cathode substrate, the coating material is hardened to form a relatively hard, adherent surface layer, and this layer is carbonized to form an adherent aluminum wettable surface layer comprising refractory hard material in a non-graphitizable carbon matrix, said surface layer having a percentage expansion between 800 and 1000°C which differs from the percentage expansion of the cathode substrate by less than 0.2, where the thermosetting resin forms a resinous binder system having a char yield greater than 2556.

Ved forståelse av foreliggende oppfinnelses idé er det viktig at visse forskjeller og definisjoner observeres. De følgende definisjoner skal derfor gjelde i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. When understanding the idea of the present invention, it is important that certain differences and definitions are observed. The following definitions shall therefore apply in connection with the present invention.

Betegnelsen "beleggmateriale" som benyttes i foreliggende oppfinnelse, omfatter ildfast, hardt materiale, karbonholdig additiv, karbonholdig fyllstoff og bindemiddelsystem. Slik de benyttes her, skal betegnelsen "beleggsammensetning" eller "beleggmateriale" omfatte kombinasjonen av alle disse materialer. Betegnelsen "belegg" kan på den annen side omfatte mindre, avhengig av tørketilstand, herding, eller karbonisering, siden f.eks. blandevæske kan fordampes, og/eller polymeriseres under herding og karbonisering. The term "coating material" used in the present invention includes refractory, hard material, carbonaceous additive, carbonaceous filler and binder system. As used herein, the term "coating composition" or "coating material" shall include the combination of all these materials. The term "coating", on the other hand, may include less, depending on the state of drying, curing, or carbonization, since e.g. mixing liquid can evaporate and/or polymerize during curing and carbonization.

Betegnelsen "ildfaste, harde materialer" defineres vanligvis som boridene, karbidene, silisidene og nitridene av over-gangsmetallene i fjerde til sjette gruppe i det periodiske system, ofte betegnet ildfaste, harde materialer, og legeringer derav. The term "hard refractories" is usually defined as the borides, carbides, silicides and nitrides of the transition metals in the fourth to sixth groups of the periodic table, often referred to as refractory hard materials, and alloys thereof.

Betegnelsen "harpiksholdig bindemiddel" skal anvendes for å betegne en polymeriserbar og/eller kryssbindbar, termoherdende karbonholdig substans. The term "resinous binder" shall be used to denote a polymerisable and/or crosslinkable, thermosetting carbonaceous substance.

Den i foreliggende oppfinnelse benyttede betegnelse "blandevæske" virker på en rekke forskjellige måter i beleggmaterialet ifølge oppfinnelsen, avhengig av spesifikk sammensetning. Den kan være til stede for å tillate lett og ensartet blanding av de faste komponentene i beleggmaterialet, og for å tilveiebringe en lett, spredbar masse. Visse blandevæsker, slik som furfural, kan også tillate en økning i mengden av karbonholdig fyllstoff som kan inkorporeres i beleggmaterialet. Blandevæsken kan også fremme indre binding og binding mellom belegget og karbonsubstratet når den er et oppløsningsmiddel inneholdende det harpiksholdige bindemidlet, og/eller utgjør det harpiksholdige bindemiddel eller en del av det harpiksholdige bindemidlet. Dette er fordi en oppløst harpiks eller flytende harpiks lettere kan trenge inn i og impregnere permeable bestanddeler i belegget samt karbonsubstratet. Blandevæsken tillater også at harpiksen gjennom vekevirkning kommer inn i mellomrommene mellom partiklene i beleggmaterialet ved kapillær virkning. Blandevæsken kan virke utelukkende som et oppløsningsmiddel for det harpiksholdige bindemidlet (som allerede er til stede i den faste delen av bindemiddelsystemet), slik som metyletylketon, (som kunne oppløse en novolak dersom den var til stede i de faste stoffene), og bli fordampet under herde- og karboni-seringsoperasjoner. Dersom blandevæsken på den annen side er til stede kun som en inert bærervæske, så kan den også bli fordampet under herding og karbonisering. Ellers kan blandevæsken funksjonere som et kombinert oppløsningsmiddel og harpiksdannende middel, slik som furfurylalkohol og furfural, hvorav en del flyktiggjøres under oppvarming, mens resten blir inkorporert i det harpiksholdige bindemidlet. I et annet tilfelle, kan blandevæsken være det harpiksholdige bindemiddel per se, slik som der det harpiksholdige bindemiddel er en væske, slik som furfural (vanligvis i kombinasjon med fenol), furfurylalkohol, eller lave polymerer av disse, eller en resol. Blandevæsken kan også omfatte det harpiksholdige bindemiddel I tilfelle av en fast harpiks, slik som en novolak, oppløst i et oppløsningsmiddel (hvis oppløsningsmiddel-del kan flyktiggjøres under oppvarming), eller en harpiks av høy viskositet, slik som en delvis polymerisert resol fortynnet med et oppløsningsmiddel. Blandevæsken kan også inneholde gassfrigjøringsmidler, modifiseringsmidler og herdemidler. The term "mixing liquid" used in the present invention acts in a number of different ways in the coating material according to the invention, depending on the specific composition. It may be present to allow easy and uniform mixing of the solid components of the coating material and to provide a light, spreadable mass. Certain mixing fluids, such as furfural, may also allow an increase in the amount of carbonaceous filler that can be incorporated into the coating material. The mixing liquid can also promote internal bonding and bonding between the coating and the carbon substrate when it is a solvent containing the resinous binder, and/or constitutes the resinous binder or part of the resinous binder. This is because a dissolved resin or liquid resin can more easily penetrate and impregnate permeable components in the coating as well as the carbon substrate. The mixing liquid also allows the resin to enter the spaces between the particles in the coating material by capillary action through a wicking effect. The mixing fluid may act solely as a solvent for the resinous binder (already present in the solids of the binder system), such as methyl ethyl ketone, (which could dissolve a novolak if present in the solids), and be evaporated during hardening and carbonization operations. If, on the other hand, the mixing liquid is present only as an inert carrier liquid, then it can also be evaporated during curing and carbonization. Otherwise, the mixing liquid can function as a combined solvent and resin-forming agent, such as furfuryl alcohol and furfural, some of which is volatilized during heating, while the rest is incorporated into the resinous binder. In another case, the mixing liquid may be the resinous binder per se, such as where the resinous binder is a liquid, such as furfural (usually in combination with phenol), furfuryl alcohol, or low polymers thereof, or a resol. The mixing fluid may also comprise the resinous binder In the case of a solid resin, such as a novolak, dissolved in a solvent (whose solvent portion may be volatilized during heating), or a resin of high viscosity, such as a partially polymerized resol diluted with a solvent. The mixing liquid may also contain gas release agents, modifiers and curing agents.

Betegnelsen "bindemiddelsystem" skal benyttes for å indikere harpiksholdig bindemiddel, blandevæske, og, om ønsket, gassfrigjøringsmidler, modifiseringsmidler og herdemidler. The term "binder system" shall be used to indicate resinous binder, mixing fluid, and, if desired, gas release agents, modifiers and curing agents.

Betegnelsen "gasfrigjøringsmiddel" skal bety tilstedeværende midler som danner væskefaser som siver gjennom belegget og deretter fordamper, for å skape små kanaler i belegget, slik at flyktige stoffer kan frigjøres. The term "gas release agent" shall mean agents present which form liquid phases which seep through the coating and then evaporate, to create small channels in the coating, so that volatile substances can be released.

Betegnelsen "modifiserende midler" skal bety materialer tilsatt til det harpiksholdige bindemiddel for å modifisere f.eks. herding, elektriske egenskaper eller fysikalske egenskaper, slik som bøyestyrke eller slagfasthet forut for karbonisering av belegget. The term "modifying agents" shall mean materials added to the resinous binder to modify e.g. curing, electrical properties or physical properties such as flexural strength or impact strength prior to carbonization of the coating.

Betegnelsen "herdemidler" skal bety midler som er nødvendig for enten å kopolymerisere med harpiksen eller for å aktivere harpiksen til en tilstand hvori harpiksen kan polymerisere eller kopolymerisere. Kryssbindings- eller aktiveringsmidler faller i denne kategori, hvilket også er tilfelle for katalysatorer som skal til for de fleste polymerisasjons- og kryssbindingsreaksjoner. The term "curing agents" shall mean agents necessary to either copolymerize with the resin or to activate the resin to a state in which the resin can polymerize or copolymerize. Cross-linking or activating agents fall into this category, as do catalysts required for most polymerization and cross-linking reactions.

Betegnelsen "karbonholdig fyllstoff" skal tolkes til å bety de karbonholdige materialer som er til stede, enten som en komponent i en kjent karbonsement eller som en del av et navnebeskyttet eller vanlig karbonsystem, med et C:H-forhold større enn 2:1, som er mindre enn 100 mesh (0,147 mm) i størrelse. Mens et karbonholdig fyllstoff kan ha reaktive grupper til stede og ikke behøver å være fullstendig karbonisert, polymeriserer slike materialer ikke med seg selv, slik som tilfelle er for det harpiksholdige blande-middelmateriale. Videre, karbonholdig fyllstoff er vesentlig uoppløselig i vanlig benyttede oppløsningsmidler, slik som metyletylketon eller kinolin, mens det harpiksholdige bindemiddel (i sin ufullstendig herdede tilstand), vanligvis er oppløselig deri. The term "carbonaceous filler" shall be interpreted to mean those carbonaceous materials present, either as a component of a known carbon cement or as part of a proprietary or common carbon system, with a C:H ratio greater than 2:1, which is less than 100 mesh (0.147 mm) in size. While a carbonaceous filler may have reactive groups present and need not be fully carbonized, such materials do not polymerize with themselves, as is the case with the resinous admixture material. Furthermore, the carbonaceous filler is substantially insoluble in commonly used solvents, such as methyl ethyl ketone or quinoline, while the resinous binder (in its incompletely cured state) is usually soluble therein.

Betegnelsen "karbonholdige additiver" skal bety de karbonholdige materialer som er til stede enten som en komponent av en kjent karbonsement eller som en del av et navnebeskyttet eller vanlig karbonsystem, med et C:H-forhold større enn 2:1, som omfatter partikkelformig karbonaggregat med et partikkel-størrelsesområde fra 4 mesh (4,699 mm) til 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer. The term "carbonaceous additives" shall mean those carbonaceous materials present either as a component of a known carbon cement or as part of a proprietary or common carbon system, with a C:H ratio greater than 2:1, which includes particulate carbon aggregate with a particle size range from 4 mesh (4.699 mm) to 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers.

Betegnelsen "karbonsystem" skal omfatte bindemiddelsystem pluss karbonholdig additiv og karbonholdig fyllstoff; eller beleggmateriale minus RHM. The term "carbon system" shall include binder system plus carbonaceous additive and carbonaceous filler; or coating material minus RHM.

Betegnelsen "karbonsement" skal bety en kommersielt tilgjengelig karbonholdig sement eller adhesiv, vanligvis omfattende et harpiksholdig bindemiddel, blandevæske, karbonholdig fyllstoff og herdemidler, hvis faste og flytende deler kan forpakkes separat for å øke lagringstid, eller som en forblandet sement. Gassfrigjøringsmidler og/eller modifiseringsmidler kan være til stede i slike systemet, eller kan tilsettes dertil for bruk i foreliggende oppfinnelse. Karbonholdige additiver tilsettes vanligvis til slike systemer for bruk i foreliggende oppfinnelse dersom de ikke er til stede i den kommersielt tilgjengelige formulering. The term "carbon cement" shall mean a commercially available carbonaceous cement or adhesive, usually comprising a resinous binder, mixing fluid, carbonaceous filler and curing agents, the solid and liquid parts of which may be packaged separately to increase shelf life, or as a premixed cement. Gas release agents and/or modifiers may be present in such a system, or may be added thereto for use in the present invention. Carbonaceous additives are usually added to such systems for use in the present invention if they are not present in the commercially available formulation.

Bek kan være til stede som en del av det harpiksholdige bindemidlet, som et modifiserende materiale, men krever tilstedeværelsen av et egnet herdemiddel, slik som heksametylentetramin. Et slikt herdemiddel kan allerede være til stede som en komponent av det harpiksholdige bindemiddel, eller kan tilsettes dertil for å lette kryssbinding mellom det harpiksholdige bindemiddel og beken, eller bindings-dannelse mellom beken og det karbonholdige fyllstoff, eller selvbinding mellom de polynukleære aromatiske stoffene som omfatter størstedelen av beken. Selv om bek er kjent for å utgjøre en grafitt-forløper, realiseres ikke grafittisering i foreliggende oppfinnelse. Grafitt-forløperen blir således dispergert i det harpiksholdige bindemiddel, som er en amorf karbonforløper. Bek kan sive gjennom belegget for tilveiebringelse av gassfrigjøringskanaler, og kan, i nærvær av passende herdemidler, kryssbindes med det harpiksholdige bindemiddel og/eller det karbonholdige fyllstoff. Pitch may be present as part of the resinous binder, as a modifying material, but requires the presence of a suitable curing agent, such as hexamethylenetetramine. Such a curing agent may already be present as a component of the resinous binder, or may be added thereto to facilitate cross-linking between the resinous binder and the pitch, or bond formation between the pitch and the carbonaceous filler, or self-bonding between the polynuclear aromatics which comprises the majority of the brook. Although pitch is known to constitute a graphite precursor, graphitization is not realized in the present invention. The graphite precursor is thus dispersed in the resinous binder, which is an amorphous carbon precursor. Pitch can seep through the coating to provide gas release channels and, in the presence of suitable curing agents, can be cross-linked with the resinous binder and/or the carbonaceous filler.

Beleggmaterialet er sammensatt på en slik måte at en rekke kritiske formål oppnås. For det første kan beleggmaterialet gi etter for å gi rom for krympings- og ekspansjonsforskjeller, slik at belegget kleber fast til katodesubstratet over temperaturer opp til ca. 800°C, ved hvilken temperatur et langsomt oppvarmet beleggmateriale har blitt fullstendig herdet og karbonisert til en stiv masse. Den har da etter dette en termisk ekspansjonskoeffisient som er meget lik den til det substrat hvorpå den er påført. Videre, karboninnholdet og typen av harpiksholdig bindemiddel i beleggmaterialet er slik at det oppstår en høy total forkullingsdannelse under karbonisering. Dette minimaliserer dannelse av store, lukkede hulrom og for sterk gassutvikling. Karbongrunnmassen i det karboniserte belegg har også en ablasjonshastighet i bruk lik eller meget lite over den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet i et aluminiumcellemiljø, hvorved det sikres en jevn slitasje av beleggoverflaten, og kontinuerlig eksponering av det ildfaste, harde materialet ved overflaten. "Ablasjon" er her definert til å omfatte tapet og den følgelige fortynning av et materiale gjennom en kombinasjon av mekaniske og kjemiske mekanismer. Rent grafittiske strukturer svikter i dette henseende på grunn av betydelig raskere tapshastigheter av den anisotone struktur til den grafittiske grunnmassen, forårsaket f.eks. av natrium-innskudd, og de svake bindingene mellom atomlag i grafittisk materiale. For å oppnå disse kritiske formål, er det oppdaget at det er nødvendig å tilveiebringe en karbongrunnmasse som har meget spesifikke egenskaper, slik at karbongrunnmassen ifølge foreliggende oppfinnelse gir en høy styrkegrad i 3 dimensjoner, i motsetning til å ha den planare svakhet som er til stede i grafitt. The coating material is composed in such a way that a number of critical purposes are achieved. Firstly, the coating material can yield to allow for shrinkage and expansion differences, so that the coating adheres to the cathode substrate over temperatures up to approx. 800°C, at which temperature a slowly heated coating material has been completely hardened and carbonized to a rigid mass. It then has a thermal expansion coefficient which is very similar to that of the substrate on which it is applied. Furthermore, the carbon content and type of resinous binder in the coating material is such that a high total char formation occurs during carbonization. This minimizes the formation of large, closed cavities and excessive gas development. The carbon matrix in the carbonized coating also has an in-use ablation rate equal to or very little above the combined rate of wear and dissolution of the refractory, hard material in an aluminum cell environment, thereby ensuring uniform wear of the coating surface, and continuous exposure of the refractory, hard the material at the surface. "Ablation" is defined here to include the loss and consequent dilution of a material through a combination of mechanical and chemical mechanisms. Purely graphitic structures fail in this respect due to significantly faster rates of loss of the anisotonic structure to the graphitic groundmass, caused e.g. of sodium deposits, and the weak bonds between atomic layers in graphitic material. In order to achieve these critical objectives, it has been discovered that it is necessary to provide a carbon matrix that has very specific properties, so that the carbon matrix of the present invention provides a high degree of strength in 3 dimensions, as opposed to having the planar weakness that is present in graphite.

For det første, for å oppnå et adherende belegg over hele temperaturområdet som den belagte katodeblokken kan utsettes for, er det avgjørende at beleggmaterialet utviser en rimelig grad av dimensjonen flyt over temperaturområdet fra omgivelsestemperatur til ca. 800°C, i hvilket område belegget frigjør flyktige stoffer og gjennomgår herding og karbonisering til en fast, stiv masse. I dette temperaturområdet kan beleggmaterialet utsettes for "fortynning" eller kompresjon, en vertikal tykkelsesendring, for å gi rom for volumetrisk kontraksjon eller krymping av belegget vis a vis den positive, lineære ekspansjon av blokken som den er påført på. Det bemerkes at det harpiksholdige bindemidlet per se gjennomgår betydelig ekspansjon og kontraksjon over dette temperaturområdet, og at tilstedeværelsen av karbonfiber er meget effektivt når det gjelder å styrke belegget under dette herde- og karboniseringstrinn ved å minimalisere skadelig sprekkdannelse og gi adgang for fin sprekkdannelse, hvilket tillater spenningsavlastning og hjelper å gi plass for ekspansjonsforskjeller mellom belegget og substratet. Når først beleggmaterialet har blitt karbonisert til et stivt, hardt stoff, er det imidlertid avgjørende at den termiske ekspansjonskoeffisient til belegget er vesentlig lik katodesubstratets termiske ekspansjonskoeffisient. Således må verdien for den prosentvise ekspansjon av det karboniserte belegget være innen ca. ±0,2 av verdien for den prosentvise ekspansjon av katodesubstratet, og fortrinnsvis innen ca. ±0,1 over temperaturområdet fra 800 til 1000<*>C, f.eks. Således, dersom katodesubstratet som skal belegges utviser en ekspansjon på +0,1556 over temperaturområdet fra 800 til 1000°C eller høyere, bør belegget ha en ekspansjon (over det samme området) fra -0,05 til +0,35$6 og fortrinnsvis fra +0,05 til +0,2556. First, in order to achieve an adherent coating over the entire temperature range to which the coated cathode block can be exposed, it is essential that the coating material exhibits a reasonable degree of dimensional flow over the temperature range from ambient to about 800°C, in which range the coating releases volatile substances and undergoes hardening and carbonization into a solid, rigid mass. In this temperature range, the coating material may undergo "thinning" or compression, a vertical thickness change, to allow for volumetric contraction or shrinkage of the coating vis a vis the positive linear expansion of the block to which it is applied. It is noted that the resinous binder per se undergoes significant expansion and contraction over this temperature range and that the presence of carbon fiber is very effective in strengthening the coating during this curing and carbonization stage by minimizing harmful cracking and allowing fine cracking, which allowing stress relief and helping to accommodate expansion differences between the coating and the substrate. However, once the coating material has been carbonized to a rigid, hard substance, it is essential that the coefficient of thermal expansion of the coating be substantially equal to the thermal expansion coefficient of the cathode substrate. Thus, the value for the percentage expansion of the carbonized coating must be within approx. ±0.2 of the value for the percentage expansion of the cathode substrate, and preferably within approx. ±0.1 over the temperature range from 800 to 1000<*>C, e.g. Thus, if the cathode substrate to be coated exhibits an expansion of +0.1556 over the temperature range of 800 to 1000°C or higher, the coating should have an expansion (over the same range) of -0.05 to +0.35$6 and preferably from +0.05 to +0.2556.

Det er ønskelig at mengden av krymping som det herdede bindemiddelsystem gjennomgår under karbonisering, er så liten som mulig. Dette kan oppnås ved å velge en karbonholdig harpiks som ved anvendelse ifølge foreliggende oppfinnelse vil gi et beleggmateriale som, når det utsettes for karbonisering, utviser en krymping av belegget på substratet som It is desirable that the amount of shrinkage that the cured binder system undergoes during carbonization is as small as possible. This can be achieved by selecting a carbonaceous resin which, when used in accordance with the present invention, will provide a coating material which, when subjected to carbonisation, exhibits a shrinkage of the coating on the substrate which

er mindre enn den som ville indusere beleggsvikt, katode-blokksvikt eller separering av belegget fra katodesubstratet. Fin, vertikal sprekkdannelse i det karboniserte belegg er en akseptabel spenning-frigjøringsmekanisme. Tilstedeværelsen av karbonholdig additiv og/eller fyllstoff er nyttig. is less than that which would induce coating failure, cathode block failure or separation of the coating from the cathode substrate. Fine, vertical cracking in the carbonized coating is an acceptable stress-release mechanism. The presence of carbonaceous additive and/or filler is useful.

Både krymping og ekspansjon av det herdede bindemiddelsystem og beleggmaterialet kan måles på følgende måte. En prøve av materialet som skal testes fremstilles og spredes i en Teflon®-belagt form med dimensjoner 5 cm x 1,27 cm x 0,64 cm dybde. Materialet herdes og får avkjøles før fjerning fra formen. Stykket oppdeles deretter i fire testprøver, 2,54 cm x 0,64 cm x 0,64 cm, som deretter tørkes til konstant vekt ved 250°C i en aluminiumoksyddigel. En testprøve måles under anvendelse av et mikrometer, oppvarmes deretter fra romtemperatur til 1000°C i et dilatometer som kontinuerlig spyles med argon. Ekspansjon/kontraksjon registreres kontinuerlig som en funksjon av temperatur på et kurveregi-streringsapparat. To ekspansjon-krympe-verdier beregnes: en basert på den opprinnelige prøvelengde og sluttelig lengde ved 1000°C; den andre basert på den opprinnelige prøvelengde og sluttelige lengde etter retur til romtemperatur (dette betegnes "total kontraksjon"). Prøver måles også med mikrometere etter avkjøling som en kontroll av kurveregi-streringsapparatet. Det er ønsket at den fulle cyklus eller totale kontraksjon fortrinnsvis er mindre enn ca. 1,056. Both shrinkage and expansion of the cured binder system and the coating material can be measured in the following way. A sample of the material to be tested is prepared and spread in a Teflon®-coated mold with dimensions 5 cm x 1.27 cm x 0.64 cm deep. The material is hardened and allowed to cool before removal from the mold. The piece is then divided into four test pieces, 2.54 cm x 0.64 cm x 0.64 cm, which are then dried to constant weight at 250°C in an alumina crucible. A test sample is measured using a micrometer, then heated from room temperature to 1000°C in a dilatometer continuously flushed with argon. Expansion/contraction is recorded continuously as a function of temperature on a curve recording device. Two expansion-shrinkage values are calculated: one based on the initial sample length and final length at 1000°C; the other based on the original sample length and final length after return to room temperature (this is termed "total contraction"). Samples are also measured with micrometers after cooling as a check of the curve recording apparatus. It is desired that the full cycle or total contraction is preferably less than approx. 1.056.

I tillegg til betraktningene ovenfor er det funnet kritisk å benytte et bindemiddelsystem som, når det utsettes for karbonisering, har et forkull ingsutbytte på over ca. 2556. Forkullingsutbyttet defineres her som den masse stabil karbonholdig rest som dannes ved en termiske dekomponering av enhetsmasse av bindemiddelsystemet. Termogravimetriske analyser av forskjellige bindemiddelsystemer har demonstrert at mengden av forkullingsutbytte er en funksjon av aromatisi-teten til harpiksstrukturen. Generelt vil karbonringer som er bundet ved to eller flere steder, vanligvis forbli som forkullet materiale, Stive polymerer er de mest stabile, idet de har mister hydrogen og gir et meget høyt karbon-forkullingsutbytte. In addition to the above considerations, it has been found critical to use a binder system which, when exposed to carbonisation, has a charring yield of over approx. 2556. The charring yield is defined here as the mass of stable carbonaceous residue that is formed by thermal decomposition of a unit mass of the binder system. Thermogravimetric analyzes of various binder systems have demonstrated that the amount of char yield is a function of the aromaticity of the resin structure. In general, carbon rings that are bonded at two or more places will usually remain as charred material. Rigid polymers are the most stable, as they lose hydrogen and give a very high carbon charring yield.

Forkullingsutbyttet av et bindemiddelsystem, slik det er benyttet her, bestemmes ved herding av et foreslått karbonsystem, dvs. bindemiddelsystem pluss karbonholdig fyllstoff (i en 24 timers periode for dermed å oppnå polymerisasjon og/eller kryssbinding, fulgt av oppvarming ved 250°C i et tilstrekkelig tidsrom til å oppnå konstant vekt for derved å eliminere flyktige stoffer, polymer!sasjonsprodukter og/eller ureagert væske. Prøven blir deretter sintret til 1000°C i en ikke-oksyderende atmosfære og vekten av den resterende forkullede masse blir bestem. Likeledes bestemmes forkullingsvekten av karbonholdig fyllstoff som er til stede i karbonsystemet og subtraheres fra forkullingsvekten til karbonsystemet for å bestemme forkullingsvekten til bindemiddelsystemet. Fra vekten av karbonsystemet ved 250°C og den kjente vekt av karbonholdig fyllstoff ved 250°C, kan man beregne vekten av bindemiddelsystemet ved 250°C. Forkullingsutbyttet av bindemiddelsystemet beregnes deretter, som en prosentandel, fra forkullingsvekten av bindemiddelsystemet og vekten av bindemiddelsystemet ved 150°C. Det er observert at bindemiddelsystemer som utviser et forkullingsutbytte på over ca. 2556, gir akseptable belegg ved herding og karbonisering, mens et bindemiddelsystem som utviser 856 forkull ingsutbytte ga en uakseptabel karbongrunnmasse ved karbonisering. Forkullingsutbytter over 5056 er foretrukket. The char yield of a binder system, as used here, is determined by curing a proposed carbon system, i.e. binder system plus carbonaceous filler (for a 24 hour period to thereby achieve polymerization and/or cross-linking, followed by heating at 250°C in a sufficient time to achieve constant weight to thereby eliminate volatiles, polymerization products and/or unreacted liquid. The sample is then sintered at 1000°C in a non-oxidizing atmosphere and the weight of the remaining charred mass is determined. Likewise, the charring weight is determined of carbonaceous filler present in the carbon system and subtracted from the char weight of the carbon system to determine the char weight of the binder system From the weight of the carbon system at 250°C and the known weight of carbonaceous filler at 250°C, one can calculate the weight of the binder system at 250 ° C. The charring yield of the binder system is then calculated, as a percentage proportion, from the charring weight of the binder system and the weight of the binder system at 150°C. It has been observed that binder systems exhibiting a char yield of over approx. 2556, gives acceptable coatings on curing and carbonization, while a binder system exhibiting 856 charring yields gave an unacceptable carbon matrix on carbonization. Charring yields above 5056 are preferred.

For å oppnå et langvarig beleggmateriale i miljøet i en aluminiumcelle, er det nødvendig at ablasjonshastigheten for det herdede og karboniserte karbonsystem er nær den til det Ildfaste, harde materialet i et slikt miljø. Etter hvert som det ildfaste, harde materialet fjernes fra belegget, blir dets karbongrunnmasse fjernet ved en lignende eller bare noen hurtigere hastighet, hvorved ytterligere ildfast, hardt materiale eksponeres for cellemiljøet. På denne måte forblir den belagte katodeoverflaten vesentlig konstant, med hensyn til innhold av ildfast, hardt materiale, og derved forbedres celleoperasjon som målt ved jevnhet av ytelsesevne. I tidligere forsøk på å tilveiebringe katoder belagt med ildfast, hardt materiale, har ablasjon og/eller inter-granulært angrep resultert i hurtig overflatenedbrytning på grunn av utarming av enten det ildfaste, harde materialet eller karbongrunnmassen ved en hastighet som er større enn den andre, hvilket resulterer i perioder når det er be-grensede områder som har enten en overflatesammensetning som er rik på ildfast, hardt materiale med tilstrekkelig bindingsevne, eller en karbonrik overflate med utilstrekkelig ildfast, hardt materiale. Foreliggende oppfinnelse overvinner disse mangler ved å tilveiebringe et belegg hvori det ildfaste, harde materialet og karbongrunnmassen oppløses eller på annen måte utarmes ved omtrent like hastigheter. In order to achieve a long-lasting coating material in the environment of an aluminum cell, it is necessary that the ablation rate of the hardened and carbonized carbon system is close to that of the refractory hard material in such an environment. As the refractory hard material is removed from the coating, its carbon matrix is removed at a similar or only slightly faster rate, thereby exposing additional refractory hard material to the cellular environment. In this manner, the coated cathode surface remains substantially constant, with respect to refractory hard material content, thereby improving cell operation as measured by uniformity of performance. In previous attempts to provide cathodes coated with refractory hard material, ablation and/or inter-granular attack has resulted in rapid surface degradation due to depletion of either the refractory hard material or the carbon matrix at a rate greater than the other, resulting in periods when there are limited areas that have either a surface composition that is rich in refractory hard material with sufficient bonding ability, or a carbon rich surface with insufficient refractory hard material. The present invention overcomes these shortcomings by providing a coating in which the refractory, hard material and the carbon matrix dissolve or are otherwise depleted at approximately equal rates.

Det er viktig å klargjøre eller skjelne mellom karbonisering og grafittisering gjeldende ved oppvarming av karbonholdige legemer i sammenheng med foreliggende oppfinnelse. "Karbonisering" foretas normalt ved oppvarming av et karbonholdig legeme, enten i enhetsform eller partIkkelform, for det formål å avdrlve flyktige stoffer, og progressivt øke forholdet for karbon til hydrogen, og for progressivt å eliminere hydrogen fra legemet. I karboniseringsprosessen blir temperaturen gradvis øket for å gi adgang for den langsomme utvikling av flyktige stoffer, slik som dekompo-neringsprodukter for derved å unngå blæredannelse, og for å tillate volumetrisk krymping (som vil oppstå ved et eller annet punkt i operasjonen), og forløpe gradvis for dermed å unngå dannelse av store sprekker. Mens herding anses å finne sted ved temperaturer opp til ca. 250°C, varierer karboni-seringstemperaturer normalt fra 150 til 1000°C, skjønt høyere temperaturer opp til 1600 eller høyere kan også benyttes. Mens karbonisering kan fortsettes til ca. 1000"C eller høyere, er karboniseringen av de karbonholdige materialene som er til stede vesentlig fullstendig ved ca. 800"C, og det harpiksholdige bindemidlet har blitt karbonisert for å binde fyllstoffmaterialene og RHM til en varig struktur. Den innledende herding og innledende trinn i karboniseringsopera-sjonen utføres normalt i en konvensjonell stråleovn eller ovn av konveksjonstypen, oppvarmet med gass eller olje, idet varmen føres til karbonet ved indirekte varmeoverføring eller direkte flammekontakt. Ved et eller annet punkt, f.eks. over 250°C, blir karbonet tilstrekkelig elektrisk ledende til å tillate motstandsoppvarming, dersom dette er ønsket. It is important to clarify or distinguish between carbonization and graphitization applicable when heating carbonaceous bodies in the context of the present invention. "Carbonisation" is normally carried out by heating a carbonaceous body, either in unitary or particulate form, for the purpose of removing volatile substances, and progressively increasing the ratio of carbon to hydrogen, and to progressively eliminate hydrogen from the body. In the carbonization process, the temperature is gradually increased to allow for the slow development of volatile substances, such as decomposition products, thereby avoiding blistering, and to allow volumetric shrinkage (which will occur at some point in the operation), and progress gradually to avoid the formation of large cracks. While curing is considered to take place at temperatures up to approx. 250°C, carbonization temperatures normally range from 150 to 1000°C, although higher temperatures up to 1600 or higher can also be used. While carbonation can be continued to approx. 1000"C or higher, the carbonization of the carbonaceous materials present is substantially complete at about 800"C, and the resinous binder has been carbonized to bond the filler materials and RHM into a durable structure. The initial curing and initial steps in the carbonization operation are normally carried out in a conventional radiant or convection type furnace, heated with gas or oil, the heat being supplied to the carbon by indirect heat transfer or direct flame contact. At one point or another, e.g. above 250°C, the carbon becomes sufficiently electrically conductive to allow resistance heating, if desired.

Det skal bemerkes at beleggmaterialet fortrinnsvis er i form av en bearbeidbar pasta som glattes eller jevnes til en ønsket tykkelse og overflatejevnhet. Dette belegg herdes ved polymerisasjon og/eller kryssbinding, og mister flyktige stoffer ved langsom oppvarming til ca. 150°C, hvorved belegget har nådd termoherdingstrinnet og dannet en relativt fast masse. Karbonisering, ved temperaturer over 250°C, omdanner deretter dette belegg til en stiv grunnmasse, bestående vesentlig av ikke-grafittisert karbon med RHM, karbonholdig additiv og karbonholdig fyllstoff deri. It should be noted that the coating material is preferably in the form of a workable paste which is smoothed or leveled to a desired thickness and surface smoothness. This coating hardens by polymerization and/or cross-linking, and loses volatile substances when slowly heated to approx. 150°C, whereby the coating has reached the thermosetting stage and formed a relatively solid mass. Carbonization, at temperatures above 250°C, then converts this coating to a rigid matrix, consisting essentially of non-graphitized carbon with RHM, carbonaceous additive and carbonaceous filler therein.

Det skal trekkes en forskjell mellom dette materialet og tidligere kjente materialer som bare benytter bekbindemidler, i fravær av kryssbindings- eller polymerisasjonsmidler. Bek hverken kryssbindes eller polymeriseres ved seg selv, men passerer i virkeligheten gjennom en væskeformig "plastisk" tilstand eller sone mellom 50 og 500°C i hvilket temperatur-område det forekommer vesentlig svelling etterfulgt av en periode når den karbonholdige massen stivner (og trekker seg sammen) til et hardt, fast kokslegeme. Beleggmaterialet ifølge foreliggende oppfinnelse begynner på den annen side polymerisasjon og/eller kryssbinding ved temperaturer som kan være så lave som ca. 20° C og herdes til en relativt hard harpikstilstand ved temperaturer under ca. 150°C, avhengig av herdetid og beleggtykkelse, fulgt av prosessiv herding gjennom karbonisering. A difference must be drawn between this material and previously known materials which only use pitch binders, in the absence of cross-linking or polymerisation agents. Pitch does not crosslink or polymerize by itself, but actually passes through a liquid "plastic" state or zone between 50 and 500°C in which temperature range significant swelling occurs followed by a period when the carbonaceous mass solidifies (and shrinks together) into a hard, solid body of coke. The coating material according to the present invention, on the other hand, begins polymerization and/or cross-linking at temperatures which can be as low as approx. 20° C and hardens to a relatively hard resin state at temperatures below approx. 150°C, depending on curing time and coating thickness, followed by processive hardening through carbonisation.

Hele oppvarmingscyklusen ved karbonisering er noe tids-krevende. Karbonisering resulterer typisk i tap av flyktige stoffer og fjerning av flyktige reaksjonsprodukter fra termisk dekomponering. Det er imidlertid ingen betydelig forandring i den krystallografiske struktur til det karbonholdige additiv eller fyllstoff, og den karboniserte harpiksen fortsetter å opptre som amorf, selv om den kan binde sammen en vesentlig mengde grafittmateriale eller materiale inneholdende grafittiske krystall itter. The entire heating cycle during carbonization is somewhat time-consuming. Carbonization typically results in the loss of volatiles and the removal of volatile reaction products from thermal decomposition. However, there is no significant change in the crystallographic structure of the carbonaceous additive or filler, and the carbonized resin continues to behave amorphously, although it may bind together a substantial amount of graphite material or material containing graphitic crystals.

Grafittisering lar seg lett skjelne fra karbonisering, som beskrevet, idet den krever betydelig høyere temperaturer og lengre tidsperioder, og gir drastiske og lett observerbare forandringer i atomstrukturen. Ved grafittisering varierer de benyttede temperaturer fra litt over 2000"C opp til 3000°C, idet mer typiske temperaturer varierer fra 2400°C eller 2500<*>C til 3000°C, ettersom disse temperaturer vanligvis er forbundet med de høyere kvalitetsgraderinger av grafitt. Denne oppvarming forekommer over en temmelig lang tids-periode, typisk ca. 2 uker. Oppvarmingen foretas i en ikke-oksyderende atmosfære, typisk ved å føre elektrisk strøm direkte gjennom karbonet for derved å oppvarme karbonet innvendig og direkte ved hjelp av dets egen elektriske motstand, i motsetning til den mer konvensjonelle ovn og oppvarmingsmetode som benyttes ved karbonisering. Grafittisering forandrer og omordner på drastisk måte en amorf eller delvis grafittisk, indre struktur ved å utvikle en grafitt-krystall-atomisk ordning. En grafittstruktur er i besittelse av den velkjente, tettpakkede, lagdelte og spesielt orien-terte grafittiske strukturelle ordning. GrafIttisering er generelt bare gjennomførbart med velkjente grafitt-forløper-stoffer, slik som bek. Graphitization is easily distinguishable from carbonization, as described, in that it requires significantly higher temperatures and longer periods of time, and produces drastic and easily observable changes in the atomic structure. When graphitizing, the temperatures used vary from just over 2000°C up to 3000°C, with more typical temperatures varying from 2400°C or 2500<*>C to 3000°C, as these temperatures are usually associated with the higher quality grades of graphite This heating occurs over a fairly long period of time, typically around 2 weeks. The heating is carried out in a non-oxidizing atmosphere, typically by passing electric current directly through the carbon to thereby heat the carbon internally and directly with the help of its own electric resistance, as opposed to the more conventional furnace and heating method used in carbonization. Graphitization drastically changes and rearranges an amorphous or partially graphitic internal structure by developing a graphite-crystal atomic arrangement. A graphite structure possesses the well-known , densely packed, layered and specially oriented graphitic structural arrangement. Graphitization is generally only feasible with well-known te graphite precursor substances, such as pitch.

For å illustrere noen av forskjellene i indre struktur ved sammenligning av grafitt med ikke-grafittisk eller amorft karbon, er d<g>o2~ °g Lc-dimensjonene nyttige. "Lc"-dimensjonen angår krystall- eller krystallittstørrelsen i "c"-retningen, retningen normalt på grunnplanet, og "dgg2"-dimensjonen er mellomlagsavstanden. Disse dimensjoner bestemmes normalt ved røntgen-diffraksjonsteknikker. R.E. Franklin definerer amorft karbon med en mellomlagsavstand (døQ2) på 3,44Å og krystalli-nitet på 3.35Å (Acta Crystallographica, vol. 3, p. 107 To illustrate some of the differences in internal structure when comparing graphite with non-graphitic or amorphous carbon, the d<g>o2~ °g Lc dimensions are useful. The "Lc" dimension relates to the crystal or crystallite size in the "c" direction, the direction normal to the ground plane, and the "dgg2" dimension is the interlayer spacing. These dimensions are normally determined by X-ray diffraction techniques. R. E. Franklin defines amorphous carbon with an interlayer spacing (døQ2) of 3.44Å and crystallinity of 3.35Å (Acta Crystallographica, vol. 3, p. 107

(1950) ; Proceedings of the Royal Society of London, vol. A209, p. 196 (1951); Acta Crystallographica, vol. 4, p. 253 (1950) ; Proceedings of the Royal Society of London, vol. A209, p. 196 (1951); Acta Crystallographica, vol. 4, p. 253

(1951) ). Under grafittiseringsprosessen blir den amorfe strukturen til grafittforløperkarbonmaterialet forandret til den krystallinske struktur til grafitt, hvilket vises ved en økning i Lc-dimensjonen og en minsking av dgg2-dimensjonen. I amorft karbon varierer Lc-dimensjonen normalt fra 10 til 100 Ångstrøm-enheter (Å), mens det meste grafittmaterialet typisk viser en Lc-dimensjon på over ca. 350 eller 400 Å, typisk fra over 400 Å til 1000 Å. Det er en annen vesentlig grafittisk struktur hvori Lc er mellom 100 Å eller mer, opp til 350 eller 400 Å, og denne betegnes noen ganger som "semi-grafittisk", idet den har den samme generelle atomordning og (1951) ). During the graphitization process, the amorphous structure of the graphite precursor carbon material is changed to the crystalline structure of graphite, which is shown by an increase in the Lc dimension and a decrease in the dgg2 dimension. In amorphous carbon, the Lc dimension normally varies from 10 to 100 Angstrom units (Å), while most graphite material typically shows an Lc dimension of over approx. 350 or 400 Å, typically from over 400 Å to 1000 Å. There is another significant graphitic structure in which Lc is between 100 Å or more, up to 350 or 400 Å, and this is sometimes referred to as "semi-graphitic", as it has the same general atomic arrangement and

—konfigurasjon i sin struktur som den nettopp beskrevne grafitt, men adskiller seg noe fra det mer vanlige røntgen-diffraksjonsmønsteret for grafitt på grunn av en liten —configuration in its structure like the graphite just described, but differs somewhat from the more common X-ray diffraction pattern of graphite due to a small

forskjell 1 orientering av suksessive atomplan. Begge grafittstrukturer har en doo2_dimensjon mindre enn ca. 3,4 Å. Generelt har grafittisering ved temperaturer fra 2000°C opp til 2400°C tilbøyelighet til å gi den "semi-grafittiske" struktur, mens temperaturer over 2400°C har tendens til å gi den "normale" grafittstruktur. difference 1 orientation of successive atomic planes. Both graphite structures have a doo2_dimension smaller than approx. 3.4 Å. In general, graphitization at temperatures from 2000°C up to 2400°C tends to give the "semi-graphitic" structure, while temperatures above 2400°C tend to give the "normal" graphitic structure.

En akseptabel praksis for fremstilling av karbonholdige belegg for aluminiumcellekatoder . ifølge foreliggende oppfinnelse, er å benytte partikkelformig grafitt som et fyllstoffmateriale som tilsettes til bindemidlet og andre komponenter. Deretter blir blandingen utspredt, herdet og karbonisert. Mens dette karboniserte karbonholdige materialet kan inneholde noen grafitt, er det ikke bundet av grafitten, men Inneholder i stedet både grafittpartikler fra fyllstoffet og amorft karbon avledet fra bindemidlet og/eller komponenter i det karbonholdige fyllstoff. Ved utførelse av foreliggende oppfinnelse er det viktig at det karboniserte katodebelegg utgjøres av et ikke-grafittiserende bindemiddel for derved å sikre den riktige kombinasjon av elektrisk og termisk ledningsevne, ekspansjonskoeffisient, ablasjonshastighet og stabilitetsegenskaper i overflaten av karbon-ildfast, hardt metall. An acceptable practice for the manufacture of carbonaceous coatings for aluminum cell cathodes. according to the present invention, is to use particulate graphite as a filler material which is added to the binder and other components. The mixture is then spread, hardened and carbonized. While this carbonized carbonaceous material may contain some graphite, it is not bound by the graphite, but instead contains both graphite particles from the filler and amorphous carbon derived from the binder and/or components of the carbonaceous filler. When carrying out the present invention, it is important that the carbonized cathode coating consists of a non-graphitizing binder to thereby ensure the correct combination of electrical and thermal conductivity, expansion coefficient, ablation rate and stability properties in the surface of carbon-refractory, hard metal.

Mens boridene, karbidene, silisidene og nitridene av elementer I grupper IV til VI i det periodiske system vanligvis alle har høye smeltepunkter og hardhet, god elektronisk og termisk ledningsevne, fuktes av smeltet aluminium og er motstandsdyktig overfor aluminium- og aluminium-kryolitt-smelter, er TiB2 det foretrukne RHM på grunn av dets relativt lave pris og høye motstandsevne overfor oksy-fluorid-smelter og smeltet metall. Partikkel-størrelser for ildfast, hardt materiale kan hensiktsmessig variere fra sub-mikron-størrelse til ca. 10 mesh, og fortrinnsvis fra sub-mikron-størrelse til mindre enn 100 mesh (0,147 mm) og helst fortrinnsvis mindre enn 325 mesh (0,043 mm). While the borides, carbides, silicides, and nitrides of elements in groups IV through VI of the periodic table generally all have high melting points and hardness, good electronic and thermal conductivity, are wetted by molten aluminum, and are resistant to aluminum and aluminum-cryolite melts, TiB2 is the preferred RHM due to its relatively low cost and high resistance to oxy-fluoride melts and molten metal. Particle sizes for refractory, hard material can conveniently vary from sub-micron size to approx. 10 mesh, and preferably from sub-micron size to less than 100 mesh (0.147 mm) and most preferably less than 325 mesh (0.043 mm).

Det er generelt antatt at korngrenser mellom (TIB2 eller annet ildfast, hardt materiale), krystaller sensitiveres, dvs. gjøres mer mottagelige for angrep av segregeringen av oksydurenheter. Migrering av oksygen oppløst i enkeltkrystaller av T1B2 til krystallgrenser antas også å være mulig ved diffusjonsprosesser ved de temperaturer ved hvilke aluminiumceller normalt opereres, dvs. omkring 1000<*>C. Således kan oksygenurenheter, selv om de er eller ikke er opprinnelig segregert ved overflaten av TiB2~krystaller, migrere til de interkrystallinske grensene og gjøre dem mottagelige for angrep. Angrep på hele arealet av interkrystallinske grenser resulterer i tap av TiB2~krystaller. It is generally believed that grain boundaries between (TIB2 or other refractory, hard material), crystals are sensitized, ie made more susceptible to attack by the segregation of oxide impurities. Migration of oxygen dissolved in single crystals of T1B2 to crystal boundaries is also believed to be possible by diffusion processes at the temperatures at which aluminum cells are normally operated, i.e. around 1000<*>C. Thus, oxygen impurities, whether or not initially segregated at the surface of TiB2~ crystals, can migrate to the intercrystalline boundaries and render them susceptible to attack. Attack on the entire area of intercrystalline boundaries results in the loss of TiB2~ crystals.

Det har nå blitt vist at enkeltkrystaller av T1B2» bi-krystaller av TIB2, åpne klaser av krystaller av T1B2, og/eller knuste og malte krystaller av TIB2, ved intim kontakt med karbongrunnmassen ikke sprekker eller des-integrerer når de utsettes for bad- og smeltet aluminium i aluminiumceller over lengre tidsrom. Alt dette skal innbefattes i betegnelsen "enkeltkrystaller" slik det er benyttet her. Det skal også forstås at mens diskusjonen fokuserer på TIB2, innbefattes også andre RHM-materialer. Det felles trekk for alle disse partiklene er at de generelt har mer ekspo-nerte, frie krystalloverflater eller transkrystallinske frakturer enn indre korngrenser mellom 2 eller flere krystaller. Bindemiddelsystemet er således i stand til å adhere til nesten hvert TiB2~krystall ved binding til krystallfasetter eller brutte overflater. De åpne klasene av mindre TiB2~krystaller, kan gjennomtrenges av det karbonholdige bindemiddelsystem, slik at selv om korngrensene mellom TiB2~krystaller skulle bli angrepet av badet, vil TiB2~krystallene fremdeles holdes i belegget av bindemidlet. Dette har blitt observert i bruddstykker av det karboniserte belegget. TiB2 har tendens til å oppbrytes på en konkoid (eller glasslignende) måte, slik at bruddstykker har overflater som skjærer over krystallplan, og bindemiddelsystemet danner sterke bindinger til slike overflater. It has now been shown that single crystals of T1B2, bi-crystals of TIB2, open clusters of crystals of T1B2, and/or crushed and ground crystals of TIB2, in intimate contact with the carbon matrix, do not crack or disintegrate when exposed to bath- and molten aluminum in aluminum cells over a longer period of time. All of this is to be included in the term "single crystals" as used here. It should also be understood that while the discussion focuses on TIB2, other RHM materials are also included. The common feature for all these particles is that they generally have more exposed, free crystal surfaces or transcrystalline fractures than internal grain boundaries between 2 or more crystals. The binder system is thus able to adhere to almost every TiB2~ crystal by binding to crystal facets or broken surfaces. The open clusters of smaller TiB2~ crystals can be penetrated by the carbonaceous binder system, so that even if the grain boundaries between TiB2~ crystals should be attacked by the bath, the TiB2~ crystals will still be held in the coating by the binder. This has been observed in broken pieces of the carbonized coating. TiB2 tends to break up in a conchoidal (or glass-like) manner, so that fragments have surfaces that cut across crystal planes, and the binder system forms strong bonds to such surfaces.

Både karbon- og TiB2-komponenter i overflater fremstilt Ifølge foreliggende oppfinnelse, viser seg å langsomt oppløses eller eroderes slik at nye TiB2-krystaller kontinuerlig eksponeres for det smeltede aluminium. Både TIB2 og karbon oppløses gjennom forskjellige kjemiske mekanismer i aluminiummetallet i cellen, opp til metningskonsentrasjoner. De kan imidlertid være til stede ut over metningsgrensen som uoppløste partikler av elementene, eller i forbindelse inneholdende elementene. Den hastighet ved hvilken både TiB2 og karbon tapes fra katodeoverflaten, er avhengig av slike faktorer som temperaturer, bevegelse av metallet, bad og smuss, og total badkjemi. Det antas at noen av TiB2-partiklene føres bort inn i aluminiumet før de blir fullstendig oppløst. TiB2~konsentrasjonen i aluminium-metallet finnes typisk å være bare noe over oppløselighetsgrensen for dén temperatur ved hvilken cellen opereres. Hastigheten på karbontapet er en kritisk faktor i RHM-holdige, fuktede katodeceller ettersom karbonet anvendes til å binde RHM-partiklene i katodebelegget. En for stor hastighet på karbontap resulterer i underkutting av TiB2~partikler i grunnmassen, og en etterfølgende økning i TiB2~tap fra katodeoverflaten. Et for lavt karbontap ville resultere i arealer av lokal utarming av TiB2-partikkelkonsentrasjon ved katodeoverflaten og følgelig et tap av aluminiumfukting. Det TiB2-materialet som foretrekkes for anvendelse i foreliggende oppfinnelse er typisk spesifisert som mindre enn 325 mesh (0,043 mm). Dersom TiB2-materialet er fremstilt ved karbotermisk reduksjon av titan- og boroksyder og —karbider, vil individuelle partikler vanligvis passe den forutsatte kategori av enkeltkrystaller. Dette gjelder også for TiB2 fremstilt ved plasmametoder beskrevet i US-PS 4.282.195 til Hoekje i PPG Industries. Fremstilling av TiB2 ved en lysbuesmelteprosess, resulterer vanligvis i et polykrystall omfattende relativt store individuelle krystaller. Således, ved knusing til mindre enn 20 mesh (0,833 mm), ville dette normalt gi partikler som hver bare har korte seksjoner av indre korngrense. Dersom mindre enn 325 mesh (0,043 mm) TiB2~pulver fremstilles ved knusing av lysbuesmeltede TiB2~ klumper, så er hver av de resulterende partiklene mindre enn de opprinnelige individuelle krystallene slik at hver partikkel består av et bruddstykke av et større krystall (eller f.eks. to eller tre krystaller sammenføyet ved non interkrystallinske grenser). Således ville meget få krystaller være helt isolert fra bindemiddelsystemet, og selv om de får interkrystallinske grensene blir fullstendig oppløst av badet, ville meget få krystaller av TIB2 brytes vekk. Both carbon and TiB2 components in surfaces produced according to the present invention are shown to slowly dissolve or erode so that new TiB2 crystals are continuously exposed to the molten aluminium. Both TIB2 and carbon dissolve through different chemical mechanisms in the aluminum metal in the cell, up to saturation concentrations. However, they can be present beyond the saturation limit as undissolved particles of the elements, or in combination containing the elements. The rate at which both TiB2 and carbon are lost from the cathode surface is dependent on such factors as temperatures, movement of the metal, bath and dirt, and overall bath chemistry. It is assumed that some of the TiB2 particles are carried away into the aluminum before they are completely dissolved. The TiB2 concentration in the aluminum metal is typically found to be only slightly above the solubility limit for the temperature at which the cell is operated. The rate of carbon loss is a critical factor in RHM-containing wetted cathode cells as the carbon is used to bind the RHM particles in the cathode coating. An excessively high rate of carbon loss results in undercutting of TiB2~ particles in the matrix, and a subsequent increase in TiB2~ loss from the cathode surface. Too low a carbon loss would result in areas of local depletion of TiB2 particle concentration at the cathode surface and consequently a loss of aluminum wetting. The TiB2 material preferred for use in the present invention is typically specified as less than 325 mesh (0.043 mm). If the TiB2 material is produced by carbothermic reduction of titanium and boron oxides and carbides, individual particles will usually fit the assumed category of single crystals. This also applies to TiB2 produced by plasma methods described in US-PS 4,282,195 to Hoekje in PPG Industries. Production of TiB2 by an arc melting process usually results in a polycrystal comprising relatively large individual crystals. Thus, when crushed to less than 20 mesh (0.833 mm), this would normally produce particles each having only short sections of internal grain boundary. If less than 325 mesh (0.043 mm) TiB2~ powder is produced by crushing arc-melted TiB2~ lumps, then each of the resulting particles is smaller than the original individual crystals so that each particle consists of a fragment of a larger crystal (or e.g. eg two or three crystals joined at non intercrystalline boundaries). Thus, very few crystals would be completely isolated from the binder system, and even if their intercrystalline boundaries were completely dissolved by the bath, very few crystals of TIB2 would break away.

TiB2 fremstilt ved karbotermisk reduksjon av pulvere er typisk sammensatt av materiale som lett knuses til mindre enn 325 mesh (0,043 mm) uten at mange av de individuelle krystaller brytes. Når dette materialet betraktes i et avsøkende elektronmikroskop, ser man at det er sammensatt av meget små enkeltkrystaller, åpne klaser av TIB2~enkeltkrystaller og bruddstykker av TiB2-enkeltkrystaller. TiB2 produced by carbothermic reduction of powders is typically composed of material that easily crushes to less than 325 mesh (0.043 mm) without breaking many of the individual crystals. When this material is viewed in a scanning electron microscope, it is seen that it is composed of very small single crystals, open clusters of TIB2~ single crystals and broken pieces of TiB2 single crystals.

Andre RHM-materialer kan med hell benyttes i stedet for TiB2 i de her beskrevne belegg når passende endringer i beleggmaterialet er foretatt for å ta hensyn til forskjellene i fuktbarhet, overflateareal, partikkelstørrelse, porøsitet og oppløselighet til RHM-materialet. Tilstrekkelig RHM inkorporeres i beleggmaterialet for å sikre aluminiumfukting, mens termiske ekspansjon-mistilpasningseffekter minimaliseres og det oppnås en oppløsningshastighet for ildfast, hardt materiale som er mindre enn hastigheten for tap av karbongrunnmassen i belegget. Mens omtalen av oppfinnelsen vil fokuseres på bruken av TiB2 som det foretrukne RHM-materialet, er det underforstått at et hvilket som helst egnet RHM-materiale, slik som ZrB2 eller legeringer av ildfaste, harde materialer, kan benyttes. Tilstrekkelig RHM tilveiebringes i beleggmaterialet for å sikre fuktbarhet. Generelt kan RHM-materialet omfatte fra 10 til 90 vekt-56 av beleggmaterialet og fortrinnsvis fra 20 til 7056. Det er funnet at fuktbarhet kan oppnås ved konsentrasjoner under 1056, men bedre resultater oppnås ved områder fra 2056 og oppover, idet fra 35 til 6056 er det mest foretrukne området. Other RHM materials can be successfully used instead of TiB2 in the coatings described here when appropriate changes to the coating material are made to account for the differences in wettability, surface area, particle size, porosity and solubility of the RHM material. Sufficient RHM is incorporated into the coating material to ensure aluminum wetting, while thermal expansion mismatch effects are minimized and a refractory hard material dissolution rate is achieved that is less than the rate of loss of the carbon matrix in the coating. While discussion of the invention will focus on the use of TiB 2 as the preferred RHM material, it is understood that any suitable RHM material, such as ZrB 2 or alloys of refractory hard materials, may be used. Sufficient RHM is provided in the coating material to ensure wettability. In general, the RHM material may comprise from 10 to 90 wt-56 of the coating material and preferably from 20 to 7056. It has been found that wettability can be achieved at concentrations below 1056, but better results are obtained at ranges from 2056 and upwards, being from 35 to 6056 is the most preferred area.

De harpiksholdige bindemidlene som anvendes i foreliggende oppfinnelse kan omfatte et hvilket som helst materiale som tilfredsstiller de tidligere nevnte kriterier. Typiske harpikser som kan benyttes innbefatter fenoliske, furan-, polyfenylen-, heterocykliske harpikser, epoksy-, silikon-, alkyl- og polyimidharplkser. Eksempler på fenoliske harpikser som kan benyttes innbefatter fenolformaldehyd, fenolacet-aldehyd, fenolfurfural, m-kresolformaldehyd og resorcinol-formaldehydharpikser Epoksyharpikser som kan benyttes innbefatter diglycidleteren av bisfenol A, diglycidyleteren av tetraklor-bisfenol A, diglycidyleteren av resorcinol og lignende, og spesielt epoksy-novolåkene. Foretrukne epoksy-måterialer omfatter glycidyletere, slik som glycidyletrene av fenoler, og spesielt de fremstilt ved omsetning av en toverdig fenol med epiklorhydrin, f.eks. diglycidyleteren av bisfenol A, og epoksynovolaker. Silikonpolymerene som kan benyttes innbefatter metylsiloksanpolymerer og blandede metylfenylsiloksanpolymerer, f.eks. polymerer av dimetylsiloksan, polymerer av fenylmetylsiloksan, kopolymerer av fenylmetylsiloksan og dimetylsiloksan, og kopolymerer av difenylsiloksan og dimetylsiloksan. Eksempler på heterocykliske harpikser er polybenzimidazoler, polysiloksaliner og pyroner. Hvilke som helst av de velkjente spesifikke alkydene, spesielt de som er modifisert med fenolformaldehyd, og polyimidharplkser kan benyttes. De fenoliske harpiksene og furanene er den foretrukne klasse av harpikser, spesielt i betraktning av relativt lave priser. The resinous binders used in the present invention may comprise any material which satisfies the previously mentioned criteria. Typical resins which may be used include phenolic, furan, polyphenylene, heterocyclic resins, epoxy, silicone, alkyl and polyimide resins. Examples of phenolic resins that can be used include phenol formaldehyde, phenolacetaldehyde, phenol furfural, m-cresol formaldehyde and resorcinol formaldehyde resins Epoxy resins that can be used include the diglycidyl ether of bisphenol A, the diglycidyl ether of tetrachlorobisphenol A, the diglycidyl ether of resorcinol and the like, and especially the novolaks. Preferred epoxy coating materials include glycidyl ethers, such as the glycidyl ethers of phenols, and especially those prepared by reacting a dihydric phenol with epichlorohydrin, e.g. the diglycidyl ether of bisphenol A, and epoxy novolac. The silicone polymers which can be used include methylsiloxane polymers and mixed methylphenylsiloxane polymers, e.g. polymers of dimethylsiloxane, polymers of phenylmethylsiloxane, copolymers of phenylmethylsiloxane and dimethylsiloxane, and copolymers of diphenylsiloxane and dimethylsiloxane. Examples of heterocyclic resins are polybenzimidazoles, polysiloxalines and pyrones. Any of the well-known specific alkyds, especially those modified with phenol formaldehyde, and polyimide resins may be used. The phenolic resins and furans are the preferred class of resins, especially in view of relatively low prices.

Furanharpikser benyttes meget fordelaktig som det harpiksholdige bindemiddel i foreliggende oppfinnelse. Syrer og baser benyttes vanligvis som katalysatorer for furanharpiks-polymerisasjon, men behøver ikke være nødvendig ettersom furan kan kopolymerisere med annen harpiks i fravær av katalysatorer. Egnede syrekatalysatorer innbefatter uorganiske eller organiske syrer, slik som saltsyre, svovelsyre, salpetersyre, ortofosforsyre, benzensulfonsyre, toluensulfon-syre, naftalensulfonsyre, maleinsyre, oksalsyre, malonsyre, ftalsyre, melkesyre og sitronsyre. Denne familie av katalysatorer innbefatter også organiske anhydrider, slik som maleinsyreanhydrid og ftalsyreanhydrid. Eksempler på ytterligere tilfredsstillende konvensjonelle syrekatalysatorer innbefatter mineralsyresalter av urea, tiourea, substituerte ureaforbindelser, slik som metylurea og fenyltiourea; mineralsalter av etanolaminer, slik som mono—, di— og trietanolamin; og mineralsyresalter av aminer slik som metylamin, trimetylamin, anilin, benzylamin, morfolin, osv. Foretrukne syrekatalysatorer har en Ka-verdi på minst 10"^. Furan resins are very advantageously used as the resinous binder in the present invention. Acids and bases are usually used as catalysts for furan resin polymerization, but may not be necessary as furan can copolymerize with other resins in the absence of catalysts. Suitable acid catalysts include inorganic or organic acids, such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, orthophosphoric acid, benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, maleic acid, oxalic acid, malonic acid, phthalic acid, lactic acid and citric acid. This family of catalysts also includes organic anhydrides, such as maleic anhydride and phthalic anhydride. Examples of further satisfactory conventional acid catalysts include mineral acid salts of urea, thiourea, substituted urea compounds, such as methylurea and phenylthiourea; mineral salts of ethanolamines, such as mono-, di- and triethanolamine; and mineral acid salts of amines such as methylamine, trimethylamine, aniline, benzylamine, morpholine, etc. Preferred acid catalysts have a Ka value of at least 10"^.

Egnede basiske katalysatorer innbefatter alkalihydroksyder, slik som litiumhydroksyd, natriumhydroksyd, kaliumhydroksyd og lignende; jordalkalihydroksyder, slik som magnesium-hydroksyd, kalsiumhydroksyd o.l. Andre tilfredsstillende basekatalysatorer innbefatter f.eks. aminkatalysatorer, slik som primære aminer som etylamin, propylamin, osv.; sekundære aminer, som diisopropylamin, trietylamin osv. Eksempler på andre tilfredsstillende basekatalysatorer er blandinger av alkalihydroksyder og jordalkalihydroksyder, slik som blandinger av natriumhydroksyd og kalsiumhydroksyd. En blanding av alkalihydroksyder og jordalkalihydroksyder gir et termoherdende bindemiddel som gir uventede høye karbon-utbytter. Passende mengder av katalysator eller herdemidler innbefattes i det harpiksholdige bindemiddel, avhengig av det spesifikke bindemiddel som velges. Bestemmelse av det passende herdemiddel og den passende mengden derav, vil innses av en fagmann på området. Suitable basic catalysts include alkali hydroxides, such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like; alkaline earth hydroxides, such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, etc. Other satisfactory base catalysts include e.g. amine catalysts, such as primary amines such as ethylamine, propylamine, etc.; secondary amines, such as diisopropylamine, triethylamine, etc. Examples of other satisfactory base catalysts are mixtures of alkali hydroxides and alkaline earth hydroxides, such as mixtures of sodium hydroxide and calcium hydroxide. A mixture of alkali hydroxides and alkaline earth hydroxides provides a thermosetting binder that gives unexpectedly high carbon yields. Appropriate amounts of catalyst or curing agents are included in the resinous binder, depending on the specific binder selected. Determination of the appropriate curing agent and the appropriate amount thereof will be realized by one skilled in the art.

Med betegnelsen "syreherdede furanharpikser" menes harpikser slik som homopolymerer av furfurylalkohol, homopolymerer av furfurylalkohol kryssbundet med furfural, kopolymerer av furfurylalkohol og formaldehyd, kopolymerer av furfurylalkohol og fenol, kopolymerer av furfural og fenol, eller monomerer materialer som inneholder furanringen et eller annet sted i strukturen, og som kan herdes til en endelig stivnet og herdet masse ved tilsetning dertil av en syrekatalysator. By the term "acid-cured furan resins" are meant resins such as homopolymers of furfuryl alcohol, homopolymers of furfuryl alcohol cross-linked with furfural, copolymers of furfuryl alcohol and formaldehyde, copolymers of furfuryl alcohol and phenol, copolymers of furfural and phenol, or monomeric materials containing the furan ring somewhere in the structure, and which can be hardened to a final hardened and hardened mass by adding an acid catalyst thereto.

Harpiksomdannelse av de angjeldende sammensetninger er avhengig av hydrogenionekonsentrasjon og akselereres ved oppvarming, som velkjent. På grunn av at reaksjonen dom forårsakes av tilsetningen av den sure katalysatoren til harpiksen er eksoterm, må det utvises nøyaktighet ved valg og mengde av katalysator som benyttes, ellers kan harpiks-omdannelsen forløpe for hurtig, og den resulterende massen kan bli ubrukbar. Av denne grunn, blir uorganiske syrer slik som saltsyre, svovelsyre, fosforsyre og kromsyre, vanligvis ikke benyttet. På den andre side, blir uorganiske syresalter, slik som sinkklorid, natriumbisulfat og kvikksølvklorid ofte benyttet, hvilket også er tilfelle for latente syrekatalysatorer, slik som maleinsyreanhydrid og ftalsyreanhydrid, som bare ved oppvarming gir den nødvendige syrekatalysator. Resin conversion of the compositions in question is dependent on hydrogen ion concentration and is accelerated by heating, as is well known. Because the reaction caused by the addition of the acid catalyst to the resin is exothermic, accuracy must be exercised in the choice and amount of catalyst used, otherwise the resin conversion may proceed too quickly and the resulting mass may become unusable. For this reason, inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid and chromic acid are usually not used. On the other hand, inorganic acid salts such as zinc chloride, sodium bisulfate and mercuric chloride are often used, which is also the case for latent acid catalysts, such as maleic anhydride and phthalic anhydride, which only upon heating provide the necessary acid catalyst.

Generelt blir ordinært organiske forbindelser foretrukket for oppnåelse av de ønskede egenskaper i syreherdede furan-harpiksprodukter. I tillegg til de aromatiske sulfonsyrene har aromatiske sulfonoklorider, slik som benzensulfonoklorid, para-acetylbenzensulfonoklorid; de alifatiske aminosaltene av de aromatiske sulfonsyrene, innbefattet ammoniumsaltene, slik som ammoniumparatoluensulfonat, dimetylaminobenzensulfonat, dietylaminotoluensulfonat, ammoniumbenzensulfonat og In general, ordinarily organic compounds are preferred for achieving the desired properties in acid-cured furan resin products. In addition to the aromatic sulfonic acids, aromatic sulfonochlorides, such as benzenesulfonochloride, para-acetylbenzenesulfonochloride; the aliphatic amino salts of the aromatic sulfonic acids, including the ammonium salts, such as ammonium paratoluenesulfonate, dimethylaminobenzenesulfonate, diethylaminotoluenesulfonate, ammonium benzenesulfonate and

—disulfonat, ammoniumfenolsulfonat, ammoniumnaftalensulfonat og —disulfonat, ammoniumantracensulfonat og —disulfonat, ammoniumsulfanylat; de aromatiske aminosaltene av aromatiske sulfonsyrer, slik som anilinsaltet av benzensulfonsyre, anilinsaltet av paratoluensulfonsyre og pyridinsaltet av fenolsulfonsyre; de organiske saltene av sterke, uorganiske syrer, slik som glyoksalsulfat; de metalliske salter av klorsulfonsyre, slik som natriumklorsulfonat og kaliumklor-sulfonat; de alifatiske og aromatiske saltene av sterke —disulfonate, ammonium phenolsulfonate, ammonium naphthalenesulfonate and —disulfonate, ammonium anthracene sulfonate and —disulfonate, ammonium sulfanylate; the aromatic amino salts of aromatic sulfonic acids, such as the aniline salt of benzenesulfonic acid, the aniline salt of paratoluenesulfonic acid and the pyridine salt of phenolsulfonic acid; the organic salts of strong inorganic acids, such as glyoxal sulfate; the metallic salts of chlorosulfonic acid, such as sodium chlorosulfonate and potassium chlorosulfonate; the aliphatic and aromatic salts of strong

uorganiske syrer, slik som trietanolaminklorid, anilin-hydroklorid, ammoniumsulfamat, pyridinsulfat, pyridinbisulfat og anilinsulfat; aminosaltene av sulfanilinsyrer, slik som anilinsulfanilat og pyridinsulfonat; ferrisaltene av sulfonsyrer, slik som ferrtriklorbenzen; syreanhydrIdene, slik som fosforsyreanhydrid og maleinsyreanhydrid; ammoniumsaltene av alkansulfonsyrer, slik som ammoniummetansulfonat; ferrisaltene av sulfonsyrer, slik som ferribenzensulfonat og ferritoluensulfonat; og ammoniumsaltene av organisk substituerte uorganiske syrer, slik som ammoniummetylfosfat, blitt benyttet som katalysatorer for furanharpikser. inorganic acids, such as triethanolamine chloride, aniline hydrochloride, ammonium sulfamate, pyridine sulfate, pyridine bisulfate, and aniline sulfate; the amino salts of sulfanilic acids, such as aniline sulfanilate and pyridine sulfonate; the ferric salts of sulfonic acids, such as ferric trichlorobenzene; the acid anhydrides, such as phosphoric anhydride and maleic anhydride; the ammonium salts of alkanesulfonic acids, such as ammonium methanesulfonate; the ferric salts of sulfonic acids, such as ferricbenzene sulfonate and ferrictoluene sulfonate; and the ammonium salts of organically substituted inorganic acids, such as ammonium methyl phosphate, have been used as catalysts for furan resins.

Alkalisk katalyserte furanbindemidler innbefatter hensiktsmessig furfural pluss en fenol, furfural pluss et keton, og furfurylalkohol pluss et aldehyd og et amin. Furanbinde-midlet kan eventuelt blandes med bek for dannelse av et bindemiddelmateriale. Dette bindemiddelmaterialet kan blandes med et karbonaggregat eller fyllstoff. Bekmaterialer, slik som kulltjærebek, kan være til stede som en modifiserende komponent i bindemiddelsystemet, og høytkokende kondenserte aromatiske systemer fra slike finnes ofte som urenheter i fyllstoffmaterialer avledet fra bek. Furanbindemidler slik det her er ment, egnet for bruk i foreliggende oppfinnelse, innbefatter følgende (med passende katalysatorer): a. Furfural pluss en fenol; spesielt eksempel: furfural og Alkaline catalyzed furan binders conveniently include furfural plus a phenol, furfural plus a ketone, and furfuryl alcohol plus an aldehyde and an amine. The furan binder can optionally be mixed with pitch to form a binder material. This binder material can be mixed with a carbon aggregate or filler. Pitch materials, such as coal tar pitch, may be present as a modifying component of the binder system, and high-boiling condensed aromatic systems from such are often found as impurities in filler materials derived from pitch. Furan binders as intended herein suitable for use in the present invention include the following (with suitable catalysts): a. Furfural plus a phenol; particular example: furfural and

fenol; phenol;

b. furfural pluss et keton; eksempler: furfural og aceton b. furfural plus a ketone; examples: furfural and acetone

eller furfural og cykloheksanon; or furfural and cyclohexanone;

c. furfurylalkohol pluss et aldehyd og et amin; spesielt c. furfuryl alcohol plus an aldehyde and an amine; special

eksempel; furfurylalkohol og formaldehyd og urea. Example; furfuryl alcohol and formaldehyde and urea.

Et eksempel på et furfuralbindemiddel som er egnet for bruk I foreliggende oppfinnelse og som er relativt flytende ved romtemperatur og har et egnet forkul1ingsutbytte, er en blanding bestående vesentlig av mellom 50 g 75 vekt-£ kulltjærebek med et mykningspunkt over 100°C, og mellom 50 og 25 vekt-56 monomerer polymeriserbare termoherdende disper-geringsmidler bestående av furfural og et materiale valgt fra gruppen bestående av fenol, cykloheksanon og forbindelser med formelen: An example of a furfural binder which is suitable for use in the present invention and which is relatively liquid at room temperature and has a suitable charring yield, is a mixture consisting essentially of between 50 g 75 wt-£ coal tar pitch with a softening point above 100°C, and between 50 and 25 wt-56 monomer polymerizable thermosetting dispersants consisting of furfural and a material selected from the group consisting of phenol, cyclohexanone and compounds of the formula:

hvor R er en hydrokarbongruppe med mellom 2 og 4 karbon-at orne r, inklusive, og en katalysator. Hydrokarbongruppen i den ovenfor angitte formel kan være mettet eller umettet, og rett eller forgrenet. Til dette bindemiddel kan det så tilsettes passende mengder RHM og karbonholdige fyllstoffer for oppnåelse av et effektivt beleggmateriale. Den tid og den temperatur som er nødvendig for å oppløseliggjøre kulltjærebeken i dispergeringsmidlene vil variere med kulltjærebekens mykningspunkt, dispergeringsmidlenes totale mengder, og de relative mengder av de forskjellige dispergeringsmidlene. For sterk oppvarming bør unngås for å hindre for tidlig polymerisasjon av bindemidlet. Mens tid- og temperaturparametrene som er nødvendig for å oppløseliggjøre kulltjærebeken i dispergeringsmidlene ikke kan angis generelt, kan de lett bestemmes av en fagmann innen området. I denne type beleggmateriale virker beken ikke som et modifiserende middel for bindemidlet, men snarere som en funksjonell bestanddel som har et ønsket høyt forkullingsutbytte. where R is a hydrocarbon group with between 2 and 4 carbon atoms, inclusive, and a catalyst. The hydrocarbon group in the above formula may be saturated or unsaturated, and straight or branched. Suitable amounts of RHM and carbonaceous fillers can then be added to this binder to obtain an effective coating material. The time and temperature required to solubilize the coal tar pitch in the dispersants will vary with the softening point of the coal tar pitch, the total amounts of the dispersants, and the relative amounts of the different dispersants. Excessive heating should be avoided to prevent premature polymerization of the binder. While the time and temperature parameters necessary to solubilize the coal tar pitch in the dispersants cannot be generally stated, they can be readily determined by one skilled in the art. In this type of coating material, pitch does not act as a modifier for the binder, but rather as a functional component that has a desired high charring yield.

Generelt er molarforhold for furfural til fenol mellom 0,5 og 2 mol furfural til 1 mol fenol foretrukket når fenol er den andre bestanddelen i dispergeringsmiddelkomponenten; og molarforhold mellom 1 og 2 mol furfural til 1 mol cykloheksanon, metylalifatisk keton med den ovenfor angitte formel, eller blandinger derav, er foretrukket når cykloheksanon, metylalifatisk keton eller blandinger derav er den andre bestanddelen i dispergeringsmiddelkomponenten. In general, molar ratios of furfural to phenol between 0.5 and 2 moles of furfural to 1 mole of phenol are preferred when phenol is the second component of the dispersant component; and molar ratios between 1 and 2 moles of furfural to 1 mole of cyclohexanone, methyl aliphatic ketone of the above formula, or mixtures thereof, are preferred when cyclohexanone, methyl aliphatic ketone or mixtures thereof are the second constituent of the dispersant component.

En for tiden aktuell kommersielt tilgjengelig alkalisk-katalyserbart furanbindemiddel med nyttevirkning i foreliggende oppfinnelse, er det som kan oppnås fra Quaker Oats Company under den kommersielle eller handelsbetegnelsen "QX-362". Det antas idag at hovedbestanddelene i dette bindemidlet er furfural og cykloheksanon, skjønt noe furfurylalkohol kan også være til stede. A currently commercially available alkaline-catalysable furan binder useful in the present invention is that obtainable from the Quaker Oats Company under the commercial or trade name "QX-362". It is now assumed that the main ingredients in this binder are furfural and cyclohexanone, although some furfuryl alcohol may also be present.

En gruppe furfurylharpikser som anses som egnet i foreliggende oppfinnelse, er furfurylalkohol-kopolymerer fremstilt ved omsetning av maleinsyre eller maleinsyreanhydrid med en polyhydroksyforbindelse, slik som metylen-glykol. Dette danner en etylenisk umettet, polykarboksylisk syreester-prepolymer. Ester-prepolymeren kopolymeriseres deretter med furfurylalkohol for fremstilling av furfurylalkohol -kopolymeren. De beskrevne furfurylalkohol-kopoly-merene er fordelaktige på grunn av visse egenskaper slik som relativt lav flyktighet, lagringsletthet, avgivelse av minimum vann ved herding, motstandsdyktighet overfor for sterk krymping og en relativt kort herdereaksjon. Slike kopolymerer kan også være ganske egnet for bruk ifølge foreliggende oppfinnelse på grunn av andre egenskaper, nemlig deres evne til å forbli sterkt fleksible etter herding. A group of furfuryl resins which are considered suitable in the present invention are furfuryl alcohol copolymers prepared by reacting maleic acid or maleic anhydride with a polyhydroxy compound, such as methylene glycol. This forms an ethylenically unsaturated polycarboxylic acid ester prepolymer. The ester prepolymer is then copolymerized with furfuryl alcohol to produce the furfuryl alcohol copolymer. The described furfuryl alcohol copolymers are advantageous due to certain properties such as relatively low volatility, ease of storage, release of minimum water during curing, resistance to excessive shrinkage and a relatively short curing reaction. Such copolymers may also be quite suitable for use in accordance with the present invention due to other properties, namely their ability to remain highly flexible after curing.

I tillegg til de som er angitt som komponenter i de kommersielt tilgjengelige karbonsementene, slik som UCAR® C-14, som omtalt i det følgende, kan en rekke forskjellige novolakharpikser anvendes som det grunnleggende harpiksholdige bindemiddel i foreliggende oppfinnelse. Betegnelsen novolak refererer til et kondensasjonsprodukt av en fenolisk forbindelse med et aldehyd, idet kondensasjonen utføres i nærvær av en syrekatalysator og generelt med et molart overskudd av fenolisk forbindelse for dannelse av en novolakharpiks hvori det praktisk talt Ikke er noen metylol-grupper, slik som er til stede i resoler, og hvori molekylene av de fenoliske forbindelsene er bundet sammen ved hjelp av en metylengruppe. Den fenoliske forbindelsen kan være fenol eller fenol hvori en eller flere hydrogener er erstattet med hvilke som helst av forskjellige substituenter festet til benzenringen, hvor noen eksempler er kresolene, fenylfenoler, 3,5-dialkylfenoler, klorfenoler, resorcinol, hydrokinon, xylenoler, o.l. Den fenoliske forbindelsen kan i stedet være naftyl eller hydroksyfenantren eller et annet hydroksyl-derivat av en forbindelse som har et kondensert ringsystem. Det skal bemerkes at novolakharpiksene ikke er varmeherdbare per se. Novolakharpikser herdes i nærvær av herdemidler, slik som formaldehyd med en basekatalysator, heksametylentetramin, paraformaldehyd med en basekatalysator, etylen-diaminformaldehyd, o.l. In addition to those listed as components of the commercially available carbon cements, such as UCAR® C-14, as discussed below, a number of different novolak resins can be used as the basic resinous binder in the present invention. The term novolak refers to a condensation product of a phenolic compound with an aldehyde, the condensation being carried out in the presence of an acid catalyst and generally with a molar excess of phenolic compound to form a novolak resin in which there are practically no methylol groups, such as present in resols, and in which the molecules of the phenolic compounds are bound together by means of a methylene group. The phenolic compound may be phenol or phenol in which one or more hydrogens have been replaced by any of various substituents attached to the benzene ring, some examples being the cresols, phenylphenols, 3,5-dialkylphenols, chlorophenols, resorcinol, hydroquinone, xylenols, etc. The phenolic compound may instead be naphthyl or hydroxyphenanthrene or another hydroxyl derivative of a compound having a fused ring system. It should be noted that the novolak resins are not thermosetting per se. Novolak resins are cured in the presence of curing agents, such as formaldehyde with a base catalyst, hexamethylenetetramine, paraformaldehyde with a base catalyst, ethylene diamine formaldehyde, etc.

For foreliggende oppfinnelses formål kan en hvilken som helst smeltbar novolak som kan polymeriseres ytterligere med et egnet aldehyd, anvendes. Sagt på en annen måte, novolak-molekylene bør ha to eller flere tilgjengelige steder for ytterligere polymerisasjon og/eller kryssbinding. Bortsett fra denne begrensning kan en hvilken som helst novolak anvendes, inkludert modifiserte novolaker, dvs. de hvori en ikke-fenolisk forbindelse også er innbefattet i molekylet, slik som difenyloksyd eller bisfenol-A modifisert fenol-formaldehydnovolak. Blandinger av novolaker kan benyttes eller novolaker inneholdende mer enn en art av fenoliske forbindelser kan benyttes. For the purposes of the present invention, any fusible novolak which can be polymerized further with a suitable aldehyde can be used. Put another way, the novolak molecules should have two or more accessible sites for further polymerization and/or cross-linking. Apart from this limitation, any novolak can be used, including modified novolaks, i.e. those in which a non-phenolic compound is also included in the molecule, such as diphenyl oxide or bisphenol-A modified phenol-formaldehyde novolak. Mixtures of novolaks can be used or novolaks containing more than one type of phenolic compounds can be used.

Novolaker har generelt en tallmidlere molekylvekt i området fra 500 til 1200, skjønt i eksepsjonelle tilfeller kan molekylvekten være så lav som 300 eller så høy som 2000 eller mer. Umodifiserte fenolformaldehydnovolaker har vanligvis en tallmidlere vekt i området fra 500 til 900, idet de fleste av de kommersielt tilgjengelige materialene faller innenfor dette området. Novolaks generally have a number average molecular weight in the range of 500 to 1200, although in exceptional cases the molecular weight may be as low as 300 or as high as 2000 or more. Unmodified phenol formaldehyde novolaks usually have a number average weight in the range from 500 to 900, most of the commercially available materials falling within this range.

Novolaker med en molekylvekt fra 500 til 1200 blir fortrinnsvis benyttet i foreliggende oppfinnelse. Når en novolak med en meget lav molekylvekt anvendes, er den temperatur ved hvilken slike novolaker mykner og blir klebrige, vanligvis relativt lav. En blanding av bek og novolak kan dannes ved en hvilken som helst passende teknikk, slik som tørrblanding eller smelting av beken, og novolaken ved oppvarming sammen for dannelse av en homogen blanding. Forskjellige bek-materialer kan benyttes for dette formål som nevnt tidligere. I tillegg til novolak-fenolharpiksene, ligger bruken av resoler også innenfor foreliggende oppfinnelses ramme. Novolaks with a molecular weight of 500 to 1200 are preferably used in the present invention. When a novolak with a very low molecular weight is used, the temperature at which such novolaks soften and become sticky is usually relatively low. A mixture of pitch and novolak can be formed by any suitable technique, such as dry mixing or melting the pitch and the novolak by heating together to form a homogeneous mixture. Different pitch materials can be used for this purpose as mentioned earlier. In addition to the novolak-phenolic resins, the use of resols is also within the scope of the present invention.

Resolharpikser blir som oftest fremstilt ved kondensasjon av fenoler og aldehyder under alkaliske betingelser. Resoler adskiller seg fra novolaker ved at polynukleære metylol-substituerte fenoler dannes som mellomprodukter i resoler, og resoler fremstilles ved omsetning av fenoliske stoffer med overskudd aldehyd i nærvær av en alkalisk katalysator. En resol fremstilt ved kondensasjon av fenol med formaldehyd forløper mest sannsynlig gjennom mellomprodukter som har følgende strukturtype: Resol resins are most often produced by condensation of phenols and aldehydes under alkaline conditions. Resols differ from novolaks in that polynuclear methylol-substituted phenols are formed as intermediates in resols, and resols are produced by reacting phenolic substances with excess aldehyde in the presence of an alkaline catalyst. A resol produced by condensation of phenol with formaldehyde most likely proceeds through intermediate products that have the following structural type:

I en typisk syntese fremstilles resoler ved oppvarming av 1 mol fenol med 1,5 mol formaldehyd under alkaliske betingelser . In a typical synthesis, resoles are prepared by heating 1 mol of phenol with 1.5 mol of formaldehyde under alkaline conditions.

Resolharpiksene fremstilles ved kondensasjon av fenoler med formaldehyd, eller mer generelt, ved omsetning av en fenolisk forbindelse som har 2 eller 3 reaktive aromatiske ring-hydrogen-stillinger, med et aldehyd eller en aldehyd-frigjørende eller -fremkallende forbindelse som kan gjennomgå fenolaldehydkondensasjon. Illustrerende for fenoler er fenol, kresol, xylenol, alkylfenoler, slik som etylfenol, butylfenol, nonylfenol, dodecylfenol, isopropylmetoksyfenol, klorfenol, resorcinol, hydrokinon, naftol, 2,2-bis(p-hydroksyfenyl)propan og lignende, og blandinger av slike fenoler. Store alifatiske grupper substituert på benzenringen kan lede bort fra foreliggende oppfinnelse fordi disse går tapt ved oppvarming og kan således nedsette forkullingsutbytte og øke avgivelsen av flyktige stoffer. Illustrerende for aldehyder er formaldehyd, paraformaldehyd, acetaldehyd, akrolein, krotonaldehyd, furfural, o.l. Illustrerende for aldehyd-fremkallende midler er heksametylentetramin. Ketoner, slik som aceton, kan også kondenseres med de fenoliske forbindelsene for dannelse av fenolharpikser. The resol resins are produced by condensation of phenols with formaldehyde, or more generally, by reaction of a phenolic compound having 2 or 3 reactive aromatic ring-hydrogen positions, with an aldehyde or an aldehyde-releasing or inducing compound which can undergo phenolaldehyde condensation. Illustrative of phenols are phenol, cresol, xylenol, alkylphenols, such as ethylphenol, butylphenol, nonylphenol, dodecylphenol, isopropylmethoxyphenol, chlorophenol, resorcinol, hydroquinone, naphthol, 2,2-bis(p-hydroxyphenyl)propane and the like, and mixtures of such phenols. Large aliphatic groups substituted on the benzene ring can lead away from the present invention because these are lost during heating and can thus reduce charring yield and increase the emission of volatile substances. Illustrative of aldehydes are formaldehyde, paraformaldehyde, acetaldehyde, acrolein, crotonaldehyde, furfural, etc. Illustrative of aldehyde-inducing agents is hexamethylenetetramine. Ketones, such as acetone, can also be condensed with the phenolic compounds to form phenolic resins.

Kondensasjonen av en fenol og et aldehyd utføres i nærvær av alkaliske reagenser slik som natriumkarbonat, natriumacetat, natriumhydroksyd, ammoniumhydroksyd o.l. Når kondensasjons-reaksjonen er fullført, kan, om ønsket, vannet og andre flyktige materialer fjernes ved destillasjon og katalysatoren nøytraliseres. The condensation of a phenol and an aldehyde is carried out in the presence of alkaline reagents such as sodium carbonate, sodium acetate, sodium hydroxide, ammonium hydroxide and the like. When the condensation reaction is complete, if desired, the water and other volatile materials can be removed by distillation and the catalyst neutralized.

Resolharpiksene betegnet varmeherdbare harpikser. Dvs. under anvendelsen av varme polymeriserer disse harpikser progressivt inntil de til slutt er uoppløselige, ikke-smeltbare og fullstendig herdet. For foreliggende oppfinnelses formål anses de herdbare fenoliske harpiksene som de som ikke har kommet så langt i polymerisasjonen at de har blitt ikke-smeltbare . The resol resins denoted thermosetting resins. That is under the application of heat, these resins progressively polymerize until they are finally insoluble, non-fusible and fully cured. For the purposes of the present invention, the curable phenolic resins are considered to be those which have not progressed so far in their polymerization that they have become non-fusible.

Furfurylalkohol kan benyttes som blandingsvæsken i det fenoliske karbonholdige bindemiddel, og antas å reagere med den fenoliske harpiksen ettersom den herdes, og tjener som et modifiserende middel for harpiksen. Bruken av furfurylalkohol er foretrukket ettersom det er funnet at bindinger som har den høye styrke som kan oppnås ved bruk av denne blandevæske ikke kan fremstilles når andre blandevæsker benyttes I stedet for furfurylalkohol. Når således f.eks. furfuraldehyd anvendes i stedet for furfurylalkohol i ellers identiske sammensetninger, dannes bindinger som bare har omkring halve styrken til bindingen som dannes ved bruk av furfurylalkoholen. Furfuryl alcohol can be used as the mixing liquid in the phenolic carbonaceous binder, and is believed to react with the phenolic resin as it cures, serving as a resin modifier. The use of furfuryl alcohol is preferred as it has been found that bonds having the high strength that can be obtained using this mixing liquid cannot be produced when other mixing liquids are used instead of furfuryl alcohol. When, for example, furfuraldehyde is used instead of furfuryl alcohol in otherwise identical compositions, bonds are formed which only have about half the strength of the bond formed when furfuryl alcohol is used.

Siden den ønskede netto slutteffekt er å oppnå et overflatelag sammensatt vesentlig av RHM og karbon, bør bindemiddelsystemet være lett dekomponerbart, i høyt utbytte, til en karbonrest. Slike komponenter som harpiksholdig bindemiddel bør omfatte fra 1 til 4056 av beleggmaterialet enten som en del av karbonsementen eller som et vanlig karbonsystem. Harpiksen per se kan utgjøre opp til 5056 eller mer, beregnet på vekt av beleggmaterialet. Selv om høyere harpikskonsentra-sjoner er mulig, oppnås ingen særlig fordel og lengre herde-og karboniseringscykler kan være nødvendig. Karbonsystemet bør omfatte fra 10 til 9056 av beleggmaterialet, fortrinnsvis fra 30 til 8056, og helst fra 40 til 6556 av beleggmaterialet som er påført på substratet. Since the desired net end effect is to achieve a surface layer composed essentially of RHM and carbon, the binder system should be easily decomposable, in high yield, to a carbon residue. Such components as resinous binder should comprise from 1 to 4056 of the coating material either as part of the carbon cement or as a regular carbon system. The resin per se can amount to 5056 or more, calculated on the weight of the coating material. Although higher resin concentrations are possible, no particular advantage is gained and longer curing and carbonization cycles may be required. The carbon system should comprise from 10 to 9056 of the coating material, preferably from 30 to 8056, and most preferably from 40 to 6556 of the coating material applied to the substrate.

Man kan benytte passende blandinger av karbon og fenolisk harpiks eller andre termoherdende harpiksholdige bindemidler av passende partikkelstørrelser, eller alternativt kommersielle sammensetninger. Blandevæskekomponenten i beleggmaterialet kan variere fra 2 til 40 vekt-56 for rimelige fordampnings- og herdehastigheter, idet fra 5 til 2556 er foretrukket for oppnåelse av bearbeidbar konsistens. Det er ønskelig at beleggmaterialet er bearbeidbar og lett kan spres, som med en mureskje. Utilstrekkelig væske vil gjøre blandingen tørr og ikke-spredbar, mens for mye væske resulterer i vanskeligheter ved herding og brenning. One can use suitable mixtures of carbon and phenolic resin or other thermosetting resinous binders of suitable particle sizes, or alternatively commercial compositions. The mixing fluid component of the coating material can vary from 2 to 40 wt-56 for reasonable evaporation and curing rates, with from 5 to 2556 being preferred for achieving workable consistency. It is desirable that the coating material is workable and can be spread easily, as with a trowel. Insufficient liquid will make the mixture dry and non-spreadable, while too much liquid results in difficulties in curing and firing.

Forskjellige modifiserende midler kan være til stede for å modifisere beskaffenheten av det harpiksholdige bindemiddel under blanding, herding og karbonisering av beleggmaterialet. Disse kan typisk utgjøre fra 0 til 10 vekt-56 av beleggmaterialet. Egnede modifiserende midler for f.eks. fenolformalde-hydharpikser, innbefatter kolofonium, anilin, kopolymerer, harplks-"legeringer", osv. Kolofonium-modifiserte fenoliske stoffer har en viktig kombinasjon av oppløselighet, viskositet og tørkeegenskaper. En velkjent metode for fremstilling av fenoliske harpikser for bruk i overflatebelegg innebærer oppvarming og blanding av fenolformaldehyd-kondensater med kolofonium. Kondensatet som benyttes er fortrinnsvis et fremstilt fra alkylfenoler ved alkalisk kondensasjon. Various modifying agents may be present to modify the nature of the resinous binder during mixing, curing and carbonization of the coating material. These can typically make up from 0 to 10% by weight of the coating material. Suitable modifying agents for e.g. phenol formaldehyde resins, include rosin, aniline, copolymers, resin "alloys", etc. Rosin-modified phenolics have an important combination of solubility, viscosity and drying properties. A well-known method of producing phenolic resins for use in surface coatings involves heating and mixing phenol-formaldehyde condensates with rosin. The condensate used is preferably one produced from alkylphenols by alkaline condensation.

Anilin-modifiserte fenoliske stoffer fremstilles ved behandling av et fenolformaldehydkondensat-mellomprodukt med anilin eller anilinderivater, ved kokondensasjon, eller ved blanding av et fenolformaldehydkondensat med et anilin-fo rmal dehydkondensat . Anilin-modifiserte fenoliske stoffer har særlig gode elektriske egenskaper. Fenoliske harpikser kan kopolymeriseres med slike materialer som klorerte fenoler, nitrometan og organo-silisium-forbindelser, f.eks. siloksan. Aniline-modified phenolic substances are produced by treating a phenol-formaldehyde condensate intermediate with aniline or aniline derivatives, by co-condensation, or by mixing a phenol-formaldehyde condensate with an aniline-formaldehyde condensate. Aniline-modified phenolic substances have particularly good electrical properties. Phenolic resins can be copolymerized with such materials as chlorinated phenols, nitromethane and organosilicon compounds, e.g. siloxane.

Noen av materialene som benyttes for behandling av fenolformaldehyd-mellomproduktkondensater er epiklorhydrin, eterharpiks, etylenoksydpolymerer, hydrogenperoksyd, ketoner, metylolanilin-HCl, flerverdige salter av heksansyre, stannoklorid og terpen-fenolprodukter. Some of the materials used for the treatment of phenol formaldehyde intermediate condensates are epichlorohydrin, ether resin, ethylene oxide polymers, hydrogen peroxide, ketones, methylaniline HCl, polyvalent salts of hexanoic acid, stannous chloride and terpene phenol products.

I tillegg kan blandinger av forskjellige harpiksholdige materialer med fenoliske harpikser fremstilles. Eksempler på de mer vanlige harpiks-"legeringer" er fenoliske harpikser og epoksyharpikser, keton-aldehyd-kondensater, melamin- og ureaharpikser, naturlig og syntetisk gummi, polyvinylklorid og polyvinylacetatharpikser. Gjennom slike modifikasjoner er det helt mulig i betydelig grad å modifisere bindemiddelsystemet ifølge foreliggende søknad. Erstatning av f.eks. fenol med meta-resol vil gi en harpiks som er oppløselig I alkohol, og med en hurtig tørketid. Dette kan være fordelaktig under visse forhold og herdetidsbetingelser. Erstatning av fenol med meta-alkyl fenol gir en harpiks som er mer gummiaktig og fleksibel, men har mindre strekkfasthet. Erstatning av fenol med substituerte fenoler, f.eks. p-tertiær butylfenol gir harpikser som er oljeoppløselige, mens erstatning av fenol med naftalen- og antracen-avledede fenoler ikke endrer de fenoliske egenskapene i større grad, men kan gi større forenelighet med bek, i bindemiddelsystemer som benyttet bek. Erstatning av formaldehyd med høyere aldehyder, slik som acetaldehyd, resulterer i at harpiksen blir oljeoppløselig. In addition, mixtures of various resinous materials with phenolic resins can be prepared. Examples of the more common resin "alloys" are phenolic resins and epoxy resins, ketone-aldehyde condensates, melamine and urea resins, natural and synthetic rubber, polyvinyl chloride and polyvinyl acetate resins. Through such modifications, it is entirely possible to significantly modify the binder system according to the present application. Replacement of e.g. phenol with meta-resole will give a resin which is soluble in alcohol, and with a fast drying time. This can be beneficial under certain conditions and curing time conditions. Replacing phenol with meta-alkyl phenol gives a resin that is more rubbery and flexible, but has less tensile strength. Replacement of phenol with substituted phenols, e.g. p-tertiary butylphenol gives resins that are oil-soluble, while replacing phenol with naphthalene- and anthracene-derived phenols does not change the phenolic properties to a greater extent, but can provide greater compatibility with pitch, in binder systems that use pitch. Replacement of formaldehyde with higher aldehydes, such as acetaldehyde, results in the resin becoming oil soluble.

Tilsetningen av glycerol til fenolformaldehydresoler virker som en mykner i bindemiddelsystemene som benyttes. Antracen-olje kan på den annen side tilsettes til furfurylalkohol som et stabiliseringsmiddel før tilsetningen av syrekatalysator. Stabilisering hjelper styringen av polymerisasjonshastigheten i nærvær av syrekatalysatorer. The addition of glycerol to phenol formaldehyde resols acts as a plasticizer in the binder systems used. Anthracene oil, on the other hand, can be added to furfuryl alcohol as a stabilizer prior to the addition of acid catalyst. Stabilization helps control the polymerization rate in the presence of acid catalysts.

Visse spesielle blandinger er verd å merke seg. F.eks. har fenolformaldehyd modifisert med fenolfurfurylharpiks en flat plastIsitetskurve og går ikke gjennom et gummiaktig trinn slik som tilfellet er for fenolformaldehyd. Således er blandinger av fenolformaldehyd med fenolfurfuryl egnede. De gir utmerket slagbestandighet, kjemisk bestandighet, hurtig herding ved høye temperaturer og en høy kapasitet for fyllstoff. Blandinger av fenolformaldehyd med visse termo-plastiske stoffer gir harpikser som er egnet for binding til metall, slik som kan tenkes benyttet med metalliske katodesubstrater. Blandinger med butadien/akrylonltril-kopolymer-gummi gir forbedret slagbestandighet, mens blandinger med resorcinol-formaldehydharpikser gir hurtigere reaksjons-hastigheter og lavere herdetemperaturer. Disse harpikser er imidlertid noe kostbare for anvendelse i foreliggende oppfinnelse. Certain special blends are worth noting. E.g. Phenol formaldehyde modified with phenol furfuryl resin has a flat plasticity curve and does not go through a rubbery stage as is the case for phenol formaldehyde. Thus, mixtures of phenol formaldehyde with phenol furfuryl are suitable. They provide excellent impact resistance, chemical resistance, rapid curing at high temperatures and a high capacity for filler. Mixtures of phenol formaldehyde with certain thermoplastic substances give resins which are suitable for bonding to metal, such as may be used with metallic cathode substrates. Blends with butadiene/acrylonitrile copolymer rubber provide improved impact resistance, while blends with resorcinol-formaldehyde resins provide faster reaction rates and lower curing temperatures. However, these resins are somewhat expensive for use in the present invention.

Bek er ofte til stede i beleggmaterialet som et modifiserende middel eller et bindemiddel, i konsentrasjoner opp til 50 eller endog 7556 når det er til stede som en funksjonell bestanddel i bindemiddelsystemet. Når det er til stede i konsentrasjoner opp til 10 vekt-56 av beleggmaterialet. Pitch is often present in the coating material as a modifier or binder, in concentrations up to 50 or even 7556 when present as a functional component of the binder system. When present in concentrations up to 10 wt-56 of the coating material.

I tillegg til RHM og bindemiddelsystemet, som i seg selv kan innbefatte et fyllstoffmateriale, er det ønskelig å tilveiebringe ytterligere partikkelformig karbon. Noe partikkelformig karbon, enten amorft eller grafittisk, er ofte til stede i kommersielt tilgjengelige sementer som nevnt ovenfor. Videre kan partikkelformig karbon tilsettes, enten som fint pulver eller som grovt aggregat, eller blandinger derav, i form av amorft karbon eller grafittisk karbon. In addition to the RHM and the binder system, which itself may include a filler material, it is desirable to provide additional particulate carbon. Some particulate carbon, either amorphous or graphitic, is often present in commercially available cements as mentioned above. Furthermore, particulate carbon can be added, either as a fine powder or as a coarse aggregate, or mixtures thereof, in the form of amorphous carbon or graphitic carbon.

Det er meget ønskelig å ha et karbonholdig fyllstoffmateriale til stede, enten som en komponent i et eksklusivt karbonsystem eller til stede i en kommersiell sement, eller som et tillegg til en kommersiell sement. Slike karbonholdige fyllstoffer er mindre enn 100 mesh (0,147 mm) og fortrinnsvis mindre enn 325 mesh (0,043 mm) og kan innbefatte fint karbonholdig mel, grafittmel, knust koks, knust grafitt, kjønrøk og lignende. Tilstedeværelsen av slikt fint mel gir forbedret pakkedensitet for den benyttede granulometri, som gjennom vekevirkning suger opp harpiksdannende væsker for dannelse av en tett, sterkt bundet karbongrunnmasse ved karbonisering. It is highly desirable to have a carbonaceous filler material present, either as a component of an exclusive carbon system or present in a commercial cement, or as an addition to a commercial cement. Such carbonaceous fillers are less than 100 mesh (0.147 mm) and preferably less than 325 mesh (0.043 mm) and may include fine carbonaceous meal, graphite meal, crushed coke, crushed graphite, carbon black, and the like. The presence of such fine flour provides improved packing density for the granulometry used, which, through a soaking action, absorbs resin-forming liquids to form a dense, strongly bound carbon matrix during carbonization.

Karbonholdig fyllstoff som fint mel, bør omfatte fra 1 til 6056 av beleggmaterialet, idet fra 10 til 4056 er foretrukket. Carbonaceous filler such as fine flour should comprise from 1 to 6056 of the coating material, with from 10 to 4056 being preferred.

Det karbonholdige additiv eller aggregatmateriale, dersom slikt er til stede, kan være fra mindre enn 4 mesh (4,699 mm) til over 100 mesh (0,147 mm), og er fortrinnsvis fra mindre enn 8 mesh (2,362 mm) til over 20 mesh (0,833 mm). Et slikt grovt aggregat tillater tydeligvis mikro-sprekking, hjelper utslippsfrigjøring av flyktige stoffer, reduserer krymping og bidrar til høyt karbonutbytte. Karbonholdig additiv, som aggregat og/eller fiber, bør omfatte fra 0 til 7056 av beleggmaterialet, idet fra 5 til 1556 er foretrukket. The carbonaceous additive or aggregate material, if present, may be from less than 4 mesh (4.699 mm) to over 100 mesh (0.147 mm), and is preferably from less than 8 mesh (2.362 mm) to over 20 mesh (0.833 etc.). Such a coarse aggregate obviously allows micro-cracking, helps the release of volatile substances, reduces shrinkage and contributes to a high carbon yield. Carbonaceous additive, such as aggregate and/or fiber, should comprise from 0 to 7056 of the coating material, with from 5 to 1556 being preferred.

Som nevnt tidligere er det foretrukket at karbonfiber tilsettes til beleggmaterialet som er sprekkstopper. Når slik fiber anvendes, har det vært funnet visse variasjoner I sammensetningsområder. Når karbonfiber benyttes, kan de fortrinnsvis være fremstilt fra bek-forløpere, organiske fiber-forløpere, slik som polyakrylonitril eller rayon. Bek-fibrer er betydelig billigere og følgelig foretrukket. As mentioned earlier, it is preferred that carbon fiber is added to the coating material which is a crack stopper. When such fiber is used, certain variations have been found in composition areas. When carbon fibers are used, they can preferably be produced from pitch precursors, organic fiber precursors, such as polyacrylonitrile or rayon. Bek fibers are considerably cheaper and therefore preferred.

Fibervekt kan variere fra 0 til 10 vekt-56 av beleggmaterialet, fortrinnsvis fra 0,05 til 1, 0%, og mer foretrukket fra 0,05 til 0,556. Konsentrasjoner over ca. 10& blir imidlertid relativt kostbart, men liten tydelig tilført nyttevirkning. Karbonfibrer med lengder varierende fra 0,16 til 1,27 cm er foretrukket. Korte fibrer tillater lettere blanding og påføring, og kan benyttes i høyere konsentrasjon. Limte fibrer, bestående av parallelle fibertråder bundet sammen ved hjelp av et materiale som er oppløselig i blandevæsken, er særlig foretrukket, siden de blandes meget lett med bindemiddelsystemet. Fiberorientering kan variere og fibrene kan blandes som en integrert del av beleggmaterialet for å lette påføringsprosedyren. Fiber weight may vary from 0 to 10 weight-56 of the coating material, preferably from 0.05 to 1.0%, and more preferably from 0.05 to 0.556. Concentrations above approx. 10& will, however, be relatively expensive, but little clearly added benefit. Carbon fibers with lengths varying from 0.16 to 1.27 cm are preferred. Short fibers allow easier mixing and application, and can be used in higher concentrations. Bonded fibres, consisting of parallel fiber threads bound together by means of a material which is soluble in the mixing liquid, are particularly preferred, since they mix very easily with the binder system. Fiber orientation can vary and the fibers can be mixed as an integral part of the coating material to facilitate the application procedure.

Det er også mulig å modifisere det benyttede karbonholdige fyllstoff. I dette henseende kan en rekke modifiseringsmidler tilsettes til fyllstoffet. F.eks. kan silislumdioksyd tilsettes til det karbonholdige fyllstoff for å gi bindemiddelsystemet ikke-sintringsegenskaper. Generelt gjør imidlertid uorganiske fyllstoffer det harpiksholdige bindemiddel vanskeligere å behandle ifølge foreliggende oppfinnelse, og minsker forkullingsutbyttet. It is also possible to modify the carbonaceous filler used. In this regard, a variety of modifiers can be added to the filler. E.g. silica can be added to the carbonaceous filler to give the binder system non-sintering properties. In general, however, inorganic fillers make the resinous binder more difficult to process according to the present invention, and reduce the charring yield.

Gassfrigjøringsmidler blir hensiktsmessig innbefattet i beleggmaterialet for å unngå blærer og/eller for store sprekker. Egnede gassfrigjøringsmidler innbefatter brennbare oljer, såper og vokser. Gas releasing agents are suitably included in the coating material to avoid blisters and/or excessively large cracks. Suitable gas release agents include flammable oils, soaps and waxes.

En brennbar olje kan benyttes som gassfrigjøringsmiddel i det karbonholdige bindemiddel. For å unngå flyktiggjøring av oljen mens den fenoliske harpiks herdes, er det ønskelig at oljen har et kokepunkt som er høyere enn harpiksens herde-temperatur. Av denne grunn er oljer med kokepunkt over 150°C, fortrinnsvis over 200°C mest nyttige, idet oljer som har et kokepunkt over 250°C er særlig foretrukket. Mens petroleumbaserte oljer, slik som parafinoljer, aromatiske oljer og asfaltoljer er foretrukne, kan andre oljer, slik som animalske og vegetabilske oljer også benyttes. Blant de petroleumbaserte oljer er parafinoljene foretrukne. Illustrerende for animalske og vegetabilske oljer som kan benyttes, er palmekjerneolje, olivenolje, peanøttolje, oksetalgolje, bomullsfrøolje, maisolje, soyaolje, o.l. Mengder av olje opp til 3 vekt-56 av beleggmaterialet, fortrinnsvis fra 0,4 til 2,0 vekt-56, er egnet. A flammable oil can be used as a gas releasing agent in the carbonaceous binder. To avoid volatilization of the oil while the phenolic resin is curing, it is desirable that the oil has a boiling point that is higher than the resin's curing temperature. For this reason, oils with a boiling point above 150°C, preferably above 200°C, are most useful, with oils having a boiling point above 250°C being particularly preferred. While petroleum-based oils, such as paraffin oils, aromatic oils and asphalt oils are preferred, other oils, such as animal and vegetable oils, can also be used. Among the petroleum-based oils, the paraffin oils are preferred. Illustrative of animal and vegetable oils that can be used are palm kernel oil, olive oil, peanut oil, beef tallow oil, cottonseed oil, corn oil, soya oil, etc. Amounts of oil up to 3 weight-56 of the coating material, preferably from 0.4 to 2.0 weight-56, are suitable.

Såper kan også benyttes som gassf rigjøringsmidler. Mens den såpe som anvendes kan være en hvilken som helst av metall-ener kvatærammoniumsaltene av fettsyrene, er bindemidler fremstilt med enten de nøytrale eller syre-kvatære ammonium-såpene mer motstandsdyktige overfor oksydasjon enn sementer fremstilt med de mer vanlige metallsåpene, slik at bruk av ikke-metalliske såper er foretrukket. Slik ikke-metallsåpe fremstilles ved omsetning av en fettsyre med trietanolamin. De benyttede fettsyrer, slik som fettsyre benyttet for fremstilling av metallsåper, inneholder vanligvis fra 10 til 24 karbonatomer, og kan enten være mettet eller umettet. Blant de mettede fettsyrene som kan benyttes, er kaprinsyre, laurinsyre, myristinsyre, palmitinsyre, stearinsyre, arachinsyre, behensyre, tetrakosanoinsyre o.l. Typiske umettede fettsyrer innbefatter palmitoleinsyre, oljesyre, linoljesyre, arachidonsyre, cetoleinsyre, eucinsyre, selakoleinsyre o.l. Mengder av såper fra 0 til 15 vekt-56 eller høyere av beleggmaterialet, fortrinnsvis fra 0,5 til 5,0 vekt-56, er egnet. Soaps can also be used as gas release agents. While the soap used may be any of the metal-one quaternary ammonium salts of the fatty acids, binders made with either the neutral or acid quaternary ammonium soaps are more resistant to oxidation than cements made with the more common metal soaps, so that the use of non-metallic soaps are preferred. Such non-metallic soap is produced by reacting a fatty acid with triethanolamine. The fatty acids used, such as fatty acids used for the production of metal soaps, usually contain from 10 to 24 carbon atoms, and can be either saturated or unsaturated. Among the saturated fatty acids that can be used are capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, arachinic acid, behenic acid, tetracosanoic acid and others. Typical unsaturated fatty acids include palmitoleic acid, oleic acid, linoleic acid, arachidonic acid, cetoleic acid, eucinic acid, selacoleic acid and the like. Amounts of soaps from 0 to 15 wt-56 or higher of the coating material, preferably from 0.5 to 5.0 wt-56, are suitable.

Forskjellige vokser kan også anvendes som gassfrlgjørings-midler. Egnede vokser innbefatter forskjellige kvaliteter av petrolumvoks innbefattet slike vanlige parafinvokser som raffinerte parafinslam, utsvettet parafin, parafinflak, parafinblokk og mikrokrystallinsk voks. Various waxes can also be used as gas release agents. Suitable waxes include various grades of petroleum wax including such common paraffin waxes as refined paraffin mud, sweated paraffin, paraffin flakes, paraffin block and microcrystalline wax.

Et foretrukket bindemiddelsystem er det som er kommersielt betegnet som UCAR® C-14, markedsført av Union Carbide. Denne sammensetning antas å omfatte en blanding av en olje, en såpe, findelte karbonholdige partikler, furfurylalkohol, en fenolisk harpiks av novolaktypen, og et herdemiddel for fenolharpiksen. Blandingen av oljen, de findelte karbonholdige partiklene, fenolharpiksen og fenolharpiks-herdemidlet kan fremstilles ved sammenblanding av de karbonholdige partiklene, fenolharpiksen og fenolharpiks-herdemidlet på en hvilken som helst konvensjonell måte, f.eks. i en tomle-beholder, sprøyting av oljen inn i den resulterende blanding og ytterligere blanding av materiale inntil oljen har blitt inkorporert deri og en vesentlig homogen blanding er dannet. Blandingen av såpe og furfurylalkohol kan fremstilles ved oppvarming av såpen til en temperatur på ca. 100°C for å flytendegjøre denne, og deretter oppløse den smeltede såpen i furfurylalkoholen. Ved avkjølingen forblir såpen oppløst i furfurylalkoholen som en stabil oppløsning som kan lagres inntil den er klar til å bli blandet med blandingen av olje, findelte karbonholdige partikler, fenolharpiks og fenolharpiks-herdemiddel. De to blandingene, den ene flyten og den andre vesentlig fast, kan lett blandes ved romtemperatur, enten manuelt eller mekanisk. A preferred binder system is that commercially designated as UCAR® C-14, marketed by Union Carbide. This composition is believed to comprise a mixture of an oil, a soap, finely divided carbonaceous particles, furfuryl alcohol, a phenolic resin of the novolak type, and a curing agent for the phenolic resin. The mixture of the oil, the finely divided carbonaceous particles, the phenolic resin and the phenolic resin hardener can be prepared by mixing the carbonaceous particles, the phenolic resin and the phenolic resin hardener in any conventional manner, e.g. in a thumb container, spraying the oil into the resulting mixture and further mixing the material until the oil has been incorporated therein and a substantially homogeneous mixture is formed. The mixture of soap and furfuryl alcohol can be prepared by heating the soap to a temperature of approx. 100°C to liquefy this, and then dissolve the molten soap in the furfuryl alcohol. Upon cooling, the soap remains dissolved in the furfuryl alcohol as a stable solution which can be stored until it is ready to be mixed with the mixture of oil, finely divided carbonaceous particles, phenolic resin and phenolic resin hardener. The two mixtures, one liquid and the other substantially solid, can be easily mixed at room temperature, either manually or mechanically.

Mange fenolharpikser av novolaktypen kan benyttes i UCAK® C-34-sementen. Slike harpikser fremstilles ved kondensasjon av fenoler, slik som fenol i seg selv, m-kresol, p-kresol, o—kresol, 3,5-xylenol, 3,4-xylenol, 2,5-xylenol, p-etylfenol, p—tert-butylfenol, p-amylfenol, p-tert-oktylfenol, p—fenyl-fenol, 2,3,5-trimetylfenol, resorcinol o.l., med aldehyder, slik som formaldehyd, furfuraldehyd, acetaldehyd o.l. I praksis kan en usubstituert fenolformaldehydharpiks anvendes ut fra prisbetraktninger. Herding av novolakharpiksen til den termoherdede tilstand kan bevirkes ved hjelp av et hvilket som helst herdemiddel som konvensjonelt anvendes for å herde slike harpikser. Slike herdemidler er konvensjonelle materialer, slik som paraformaldehyd, furfural eller heksametylentetramin, med passende katalysatorer når dette er nødvendig, som ved anvendelse av varme utvikler aldehyder som reagerer med harpiksen og bevirker at den kryssbindes. Novolakharpiksen anvendes hensiktsmessig i UCAR® C-34-sementen i en mengde fra 0,5 vekt-* av beleggmaterialet til 15 vekt-*, mest foretrukket fra 2,5 til 8 vekt-*. Herdemidlet for harpiksen benyttes i en mengde som er tilstrekkelig til å herde en slik harpiks til den termoherdede tilstand, dvs. i en mengde som vil gi i det minste tilstrekkelig formaldehyd til å reagere med og kryssbinde harpiksen, og gi tilstrekkelig alkalisk katalysator for reaksjonen. Many phenolic resins of the novolak type can be used in UCAK® C-34 cement. Such resins are produced by condensation of phenols, such as phenol itself, m-cresol, p-cresol, o-cresol, 3,5-xylenol, 3,4-xylenol, 2,5-xylenol, p-ethylphenol, p — tert-butylphenol, p-amylphenol, p-tert-octylphenol, p-phenylphenol, 2,3,5-trimethylphenol, resorcinol, etc., with aldehydes, such as formaldehyde, furfuraldehyde, acetaldehyde, etc. In practice, an unsubstituted phenol formaldehyde resin can be used based on price considerations. Curing the novolak resin to the thermoset state can be effected by any curing agent conventionally used to cure such resins. Such curing agents are conventional materials, such as paraformaldehyde, furfural or hexamethylenetetramine, with suitable catalysts when necessary, which on application of heat develop aldehydes which react with the resin and cause it to be cross-linked. The novolak resin is suitably used in the UCAR® C-34 cement in an amount from 0.5 weight-* of the coating material to 15 weight-*, most preferably from 2.5 to 8 weight-*. The curing agent for the resin is used in an amount sufficient to cure such a resin to the thermoset state, i.e. in an amount which will provide at least sufficient formaldehyde to react with and cross-link the resin, and provide sufficient alkaline catalyst for the reaction.

Mange former for findelt karbon eller grafitt kan anvendes som komponenter i nevnte UCAR® C-34 karbonholdig sement. Egnede karbonholdige materialer innbefatter grafittmel, petroleumkoksmel, bekkoksmel, kalsinert lampesotmel, termatomisk sot (fremstilt ved føring av naturgass over varme, ildfaste stoffer), o.l. Mengder av det karbonholdige mel fra 1 vekt-* av beleggmaterialet til 60 vekt-*, fortrinnsvis fra 10 til 40 vekt-*, er egnet. Det karbonholdige mel er mest foretrukket en blanding av grafitt og termatomisk sot, idet grafittmelet er til stede i en mengde fra 2 til 50 vekt-* og den termatomiske sot er til stede i en mengde fra 0,5 til 25 vekt. Many forms of finely divided carbon or graphite can be used as components in said UCAR® C-34 carbonaceous cement. Suitable carbon-containing materials include graphite meal, petroleum coke meal, stream coke meal, calcined lamp soot meal, thermal carbon black (produced by passing natural gas over hot, refractory substances), etc. Amounts of the carbonaceous flour from 1 weight-* of the coating material to 60 weight-*, preferably from 10 to 40 weight-*, are suitable. The carbonaceous flour is most preferably a mixture of graphite and thermoatomic carbon black, the graphite flour being present in an amount of from 2 to 50 weight-* and the thermoatomic carbon black being present in an amount of from 0.5 to 25 weight.

Hensiktsmessig anvendes furfurylalkohol i UCAR® C-34-sement, og kan være til stede i en mengde fra 2 vekt-* av beleggmaterialet til 40 vekt-*, mest foretrukket fra 4 til 20 vekt- Appropriately, furfuryl alcohol is used in UCAR® C-34 cement, and can be present in an amount from 2 weight-* of the coating material to 40 weight-*, most preferably from 4 to 20 weight-

Ytterligere egnede karbonsementer og kommersielt tilgjengelige, slik som UCAR® C-38 (Union Carbide), et materiale som er meget lik UCAR® C-34, men inneholdende en oksydasjonsinhibitor; Stebbins AR-25-HT, en furanharpiks-sammensetning omfattende furfurylalkohol, delvis polymerisert furfurylalkohol i former slik som difurfuryleter, og en latent katalysator som kan være ftalsyreanhydrid eller et derivat derav; Stebbins Ar-20C, omfattende en delvis polymerisert furanharpiks i former slik som difurfuryleter, sammen med furfuraldehyd, og en latent katalysator som kan være ftalsyreanhydrid eller et derivat derav; og Atlas CARBO-KOREZ, en fenolharpiks-sammensetning omfattende en fenolisk novolak- eller resolharpiks i et oppløsningsmiddel som blandevæske, herdet ved kombinasjon med en fenolisk novolak i faststoffene. Oppløsningsmidlet er sannsynligvis en alifatisk alkohol, slik som butylalkohol. Andre egnede karbonsementer innbefatter Atlas CARBO-ALKOR, omfattende furfurylalkohol-monomer og delvis polymeriserte former slik som difurfuryleter og en latent katalysator som kan være ftalsyreanhydrid eller et derivat derav; DYLON GC, omfattende furufurylalkohol som oppløsningsmiddel og monomer som herder sammen med et fenolformaldehyd- og heksametylentetramin-herdemlddel; og Aremco GRAPHI-BOND® 551-R, omfattende furfurylalkohol og en latent katalysator. Additional suitable carbon cements and commercially available, such as UCAR® C-38 (Union Carbide), a material very similar to UCAR® C-34 but containing an oxidation inhibitor; Stebbins AR-25-HT, a furan resin composition comprising furfuryl alcohol, partially polymerized furfuryl alcohol in forms such as difurfuryl ether, and a latent catalyst which may be phthalic anhydride or a derivative thereof; Stebbins Ar-20C, comprising a partially polymerized furan resin in forms such as difurfuryl ether, together with furfuraldehyde, and a latent catalyst which may be phthalic anhydride or a derivative thereof; and Atlas CARBO-KOREZ, a phenolic resin composition comprising a phenolic novolak or resol resin in a solvent as a mixing liquid, cured by combination with a phenolic novolak in the solids. The solvent is likely to be an aliphatic alcohol, such as butyl alcohol. Other suitable carbon cements include Atlas CARBO-ALKOR, comprising furfuryl alcohol monomer and partially polymerized forms such as difurfuryl ether and a latent catalyst which may be phthalic anhydride or a derivative thereof; DYLON GC, comprising furufuryl alcohol as a solvent and monomer which cures together with a phenol formaldehyde and hexamethylenetetramine curing agent; and Aremco GRAPHI-BOND® 551-R, comprising furfuryl alcohol and a latent catalyst.

Beleggmaterialet kan påføres på katoden i en aluminiumcelle som et enkelt lag eller flere lag. Et beleggsystem bestående av flere lag kan gi en sterkere binding på grunn av større inntrengning i karbonkatodens porestruktur av et første bindende lag som ikke innbefatter T1B2, og tillater lettere og hurtigere herding av belegget. Videre, bruken av flere lag kan også redusere størrelsen og antallet av krympesprekker i det TiB2-holdige topplag. I en ytterligere foretrukken utførelse, kan beleggmaterialet typisk omfatte opp til 10 vekt-* karbonfiber som inhiberer sprekkdannelse, styrker belegget og minsker en eventuell tendens til avskalling av belegget, spesielt ved ethvert kontaktpunkt med badet. Karbonsementen som påføres på katodesubstratet som et bindende lag kan inneholde opp til 40* ekstra karbonholdig fyllstoff og additiv, som hjelper til å hindre sprekkdannelse av substratet på grunn av spenningskrefter som forekommer under herding og karbonisering av belegget, ved modifikasjon av styrken på båndet mellom substratet og det bindende laget, og egenskapene i det bindende lag. The coating material can be applied to the cathode of an aluminum cell as a single layer or multiple layers. A coating system consisting of several layers can provide a stronger bond due to greater penetration into the pore structure of the carbon cathode by a first bonding layer that does not include T1B2, and allows easier and faster curing of the coating. Furthermore, the use of multiple layers can also reduce the size and number of shrinkage cracks in the TiB2-containing top layer. In a further preferred embodiment, the coating material can typically comprise up to 10 weight-* of carbon fiber which inhibits cracking, strengthens the coating and reduces any tendency for peeling of the coating, especially at any point of contact with the bath. The carbon cement applied to the cathode substrate as a bonding layer can contain up to 40* additional carbonaceous filler and additive, which helps prevent cracking of the substrate due to tensile forces occurring during curing and carbonization of the coating, by modifying the strength of the bond between the substrate and the binding layer, and the properties in the binding layer.

De belagte katodene som her er beskrevet, kan med hell anvendes i konvensjonelle aluminiumceller eller i celler hvori anoden og katoden er skråttstilte i forhold til horisontalplanet. Slike aluminiumceller er foreslått i tidligere referanser, slik som Lewis et al., US-PS 3.400.061; Holliday, US-PS 3.661.736; og Payne US-PS 4.093.524. Slike konfigurasjoner påstås å ha fordelen med lett drenering av aluminiumet, slik at det bare er en tynn film av aluminium på en aluminiumfuktet katodeoverflate, hvilket dermed tillater meget snevrere avstander mellom anode og katode. Tidligere forsøk på å oppnå kommersielt akseptable belagte skråstilte katoder, eller RHM-flis-overflater for katoder, har imidlertid ikke vært vellykkede. The coated cathodes described here can be successfully used in conventional aluminum cells or in cells in which the anode and cathode are inclined relative to the horizontal plane. Such aluminum cells have been proposed in earlier references, such as Lewis et al., US-PS 3,400,061; Holliday, US-PS 3,661,736; and Payne US-PS 4,093,524. Such configurations are claimed to have the advantage of easy drainage of the aluminium, so that there is only a thin film of aluminum on an aluminium-moistened cathode surface, thus allowing much narrower anode-to-cathode distances. However, previous attempts to achieve commercially acceptable coated inclined cathodes, or RHM tile surfaces for cathodes, have not been successful.

I tillegg er den her beskrevne idé også anvendbar på aluminiumreduksjonsceller der ikke-forbrukbare anoder anvendes. Slike anoder kan bestå av porøst elektronisk ledende materiale, slik som platina-svart, separert fra den smeltede elektrolytt ved hjelp av et keramisk oksygenion-ledende lag som er ikke-permeabelt overfor og motstandsdyktig overfor elektrolytten. Oksygenionene ledes gjennom oksydlaget og utlades ved anoden under dannelse av oksygengass. Silke anoder er beskrevet i Marcinek, US-PS 3.562.135. In addition, the idea described here is also applicable to aluminum reduction cells where non-consumable anodes are used. Such anodes may consist of porous electronically conductive material, such as platinum black, separated from the molten electrolyte by a ceramic oxygen ion conductive layer which is impermeable to and resistant to the electrolyte. The oxygen ions are led through the oxide layer and discharged at the anode, forming oxygen gas. Silk anodes are described in Marcinek, US-PS 3,562,135.

I US-PS 3.578.580 til Schmidt-Hatting og Huwyler, beskrives anoder basert på lignende prinsipper, men innbefattet enten smeltet sølv eller en hjelpeelektrolytt slik som smeltet PbO, og en fast elektrisk leder eller platina. Anoder basert på Sn02 er beskrevet i Klein, US-PS 3.718.550; og Adler, US-PS 3.930.967, 3.960.678 og 3.974.046. I tillegg har De Nora et al. beskrevet, i US-PS 4.089.669, bruken av sintrede elektroder med en grunnmasse av Y2O3 og andre forbindelser med elektronisk ledningsevne og med elektrokatalytisk materiale på overflaten. Mere komplekse oksydanoder for Hall-Heroult-aluminiumelektrolyse, basert på oksyder med spinell, perovskitt, delafossitt, pyroklor, schelitt og rutllstruktur med elektronisk ledningsevne, og blandinger av disse, er beskrevet i patenter til Yamada et al., US-PS 4.039.401, GB-PS 1.508.876, Japan Kokai 77.140.411 (1977) og Japan Kokai 77.153.816 (1977). In US-PS 3,578,580 to Schmidt-Hatting and Huwyler, anodes are described based on similar principles, but including either molten silver or an auxiliary electrolyte such as molten PbO, and a solid electrical conductor or platinum. Anodes based on SnO 2 are described in Klein, US-PS 3,718,550; and Adler, US-PS 3,930,967, 3,960,678 and 3,974,046. In addition, De Nora et al. described, in US-PS 4,089,669, the use of sintered electrodes with a matrix of Y2O3 and other compounds with electronic conductivity and with electrocatalytic material on the surface. More complex oxide anodes for Hall-Heroult aluminum electrolysis, based on oxides with spinel, perovskite, delafossite, pyrochlore, scheelite and rutll structure with electronic conductivity, and mixtures thereof, are described in patents to Yamada et al., US-PS 4,039,401 , GB-PS 1,508,876, Japan Kokai 77,140,411 (1977) and Japan Kokai 77,153,816 (1977).

Fordelene med inerte anoder er mindre ACD og mer kompakt cellekonstruksjon, som har mindre varmetap. Mens inerte anoder hittil har vist ufordelaktighet hva angår innledende elektrisk energibehov i forhold til forbrukbare karbonanoder, vil inerte anoder ha mindre uregelmessige overflater og betydelig lengre levetid, og dermed unngås nødvendigheten for å forandre anodene ofte med ledsagende forstyrrelse av celleoperasjonsbetingelsene. The advantages of inert anodes are less ACD and more compact cell construction, which has less heat loss. While inert anodes have so far shown a disadvantage in terms of initial electrical energy requirements compared to consumable carbon anodes, inert anodes will have less irregular surfaces and significantly longer lifetimes, thereby avoiding the necessity to change anodes frequently with accompanying disruption of cell operating conditions.

Slike anoder kan benyttes i forbindelse med katoder som har aluminiumfuktbare overflater, som beskrevet heri, med fordeler slik som smalere ACD-åpninger, og forlenget levetid. En ytterligere fordel kan forventes fra bruken av slike anoder i kombinasjon med skråstilte eller drenerte katoder som har RHM-karbonbelagte overflater, slik det læres heri. Such anodes can be used in conjunction with cathodes that have aluminum wettable surfaces, as described herein, with advantages such as narrower ACD openings, and extended lifetime. A further advantage may be expected from the use of such anodes in combination with inclined or drained cathodes having RHM carbon coated surfaces as taught herein.

Det tenkes også at cellen som angis i foreliggende oppfinnelse kan omfatte en vesentlig tynnere karbonkatodeblokk enn de som idag benyttes i konvensjonelle aluminiumceller. I betraktning av det potensial for forlenget belegglevetid som er tilgjengelig, reduseres nødvendigheten for tykke katodeblokker, hvilket resulterer i en reduksjon av temperatur i det ledende medium som benyttes, og vesentlig kostnadsreduk-sjon og kraftinnsparinger. Videre er det innbefattet at celler ifølge foreliggende oppfinnelse kan utnytte ikke-karbonholdige katodesubstrater beskyttet av det her beskrevne aluminiumfuktbare, REM-overflatelag. It is also thought that the cell specified in the present invention may comprise a significantly thinner carbon cathode block than those currently used in conventional aluminum cells. Considering the potential for extended coating life that is available, the necessity for thick cathode blocks is reduced, resulting in a reduction of temperature in the conductive medium used, and substantial cost reduction and power savings. Furthermore, it is included that cells according to the present invention can utilize non-carbon-containing cathode substrates protected by the aluminum wettable REM surface layer described here.

Den forbedrede operasjon av full målestokk (105K amp) VSS-aluminiumreduksjonsceller konstruert med belagte katoder ifølge foreliggende oppfinnelse fortsetter å demonstrere produktivitetsforbedringene som resulterer fra oppfinnelsen. Mens de nedenfor angitte eksempler illustrerer de foretrukne spesifikasjoner for det forbedrede beleggmaterialet og fremgangsmåten, er det mulig å oppnå et levedyktig belegg med mange lignende fremgangsmåter. Eksemplene ble fremstilt ved belegging av katodeblokkene forut for deres sammenstilling på kollektorstavene og cellestampingsprosessen. I kommersiell praksis er det mulig at et i-cellebelegg ville bli benyttet for å belegge hele eller en del av bunnen og sideveggflåtene i en stampet katode. Hele katodebelegget kunne da herdes og karboniseres i en enkelt operasjon under anvendelse av f.eks. en avskjermet oppvarmingsanordning plassert over den belagte, stampede katoden. Dette kunne resulterer i innsparing i tid og beleggomkostninger, og gi en fullstendig monolittisk katode uten stampesammenføyninger, samt en reduksjon I utslipp ved brenning og forbedring av brenningsprosessen for oppnåelse av et forbedret brent stampemateriale i spaltene og sideveggene. The improved operation of full scale (105K amp) VSS aluminum reduction cells constructed with coated cathodes of the present invention continues to demonstrate the productivity improvements resulting from the invention. While the examples set forth below illustrate the preferred specifications for the improved coating material and method, it is possible to achieve a viable coating by many similar methods. The examples were prepared by coating the cathode blocks prior to their assembly on the collector rods and the cell stamping process. In commercial practice, it is possible that an i-cell coating would be used to coat all or part of the bottom and sidewall rafts in a stamped cathode. The entire cathode coating could then be hardened and carbonized in a single operation using e.g. a shielded heating device located above the coated stamped cathode. This could result in savings in time and coating costs, and provide a completely monolithic cathode without stamp joints, as well as a reduction in emissions during firing and improvement of the firing process to achieve an improved burnt stamp material in the slots and side walls.

Beleggmaterialet kan påføres på hver katodeblokk, herdes og karboniseres før den anbringes i stilling. Katoden kan alternativt sammenstilles og stampes, belegget påføres og deretter herdes. Karboniseringsprosessen ville foregå i cellen i dette tilfellet. Herding kan oppnås i trinn hvorved beleggsubstratet gradvis heves til den ønskede herdetempe-ratur hvorved en relativt hard overflate oppnås, fulgt av karbonisering ved temperaturer opp til 1100° C. I de innledende trinn av slik herding, blir flyktige komponenter, slik som flyktige stoffer i blandevæsken og reaksjonsproduktet fjernet, mens ved høyere temperaturer, f.eks. 250-1100°C blir karbonholdige materialer, slik som kryssbundet fenolharpiks, dekomponert og etterlater en ikke-grafittiserende, karbonholdig grunnmasse inneholdende RHM. Dette karboniseringstrinn kan utføres direkte etter den innledende herding ved oppvarming av de belagte karbonsubstrater til den ønskede temperatur, eller etter at nevnte katodesubstrat er anbragt i den elektrolytiske cellen. Karbonkatodeblokken kan alternativt anbringes i stilling i cellen etter belegging og innledende herding, fulgt av "innbaking" av den belagte katoden ved cellestart og —operasjon. Alternative rekkefølger for belegging, herding, karbonisering, sammensetting, montering og stamping kan naturligvis benyttes. The coating material can be applied to each cathode block, cured and carbonized before being placed in position. Alternatively, the cathode can be assembled and stamped, the coating applied and then cured. The carbonization process would take place in the cell in this case. Curing can be achieved in stages whereby the coating substrate is gradually raised to the desired curing temperature whereby a relatively hard surface is achieved, followed by carbonisation at temperatures up to 1100° C. In the initial stages of such curing, volatile components, such as volatile substances in the mixing liquid and the reaction product removed, while at higher temperatures, e.g. 250-1100°C carbonaceous materials, such as cross-linked phenolic resin, decompose, leaving a non-graphitizing, carbonaceous matrix containing RHM. This carbonization step can be carried out directly after the initial curing by heating the coated carbon substrates to the desired temperature, or after said cathode substrate is placed in the electrolytic cell. Alternatively, the carbon cathode block can be placed in position in the cell after coating and initial curing, followed by "baking in" of the coated cathode at cell startup and operation. Alternative sequences for coating, curing, carbonisation, assembly, assembly and stamping can of course be used.

Det belagte areal kan variere fra hele den indre overflaten av katodehulrommet til mindre enn 10* av katodeoverflaten under anoden eller anodene. Arealet som skal belegges varierer fra 50 til 100* av katodeoverf laten direkte under anoden eller anodene, idet det foretrukne areal varierer fra 70 til 100* av nevnte areal. Det kan imidlertid være ønskelig å la noe av arealet være ubelagt for å tillate avgassing av katodestampematerialet under f.eks. celleoppvarming og The coated area can vary from the entire inner surface of the cathode cavity to less than 10* of the cathode surface under the anode or anodes. The area to be coated varies from 50 to 100* of the cathode surface directly below the anode or anodes, the preferred area varying from 70 to 100* of said area. However, it may be desirable to leave some of the area uncoated to allow degassing of the cathode stamp material during e.g. cell heating and

—oppstarting. — start-up.

RHM-belegget behøver ikke være kontinuerlig over hele katodeoverflaten. I tilfelle for TiB2-fliser vil små mellomrom mellom tilstøtende fliser (1-5 mm) brodannes av det smeltede metall. Likeledes vil TiB2~partikler i en karbonoverflate ved en passende konsentrasjon gir en pseudo-kontinuerlig aluminium-fuktende film ved brodannelse mellom tilstøtende TiB2~partikler. I tilfelle for beleggmaterialet ifølge oppfinnelsen, vil 20 vekt-* T1B2 i overflaten gi en pseudo-aluminium-fuktet overflate. Et foretrukket totalt innhold av T1B2 i overflatelaget på 35-60 vekt-*, vil tillate blanding av uhomogeniteter og en lengre belegglevetid. Modifikasjon av RHM-partikkelegenskapene og/eller endring av beleggformuleringen og/eller RHM-fordelingen i belegget, kan muliggjøre bruk av mindre mengder RHM. Sprekker i belegget bør være mindre enn 5 mm i bredde, fortrinnsvis mindre enn 1 mm brede. The RHM coating need not be continuous over the entire cathode surface. In the case of TiB2 tiles, small spaces between adjacent tiles (1-5 mm) will be bridged by the molten metal. Likewise, TiB2~ particles in a carbon surface at a suitable concentration will give a pseudo-continuous aluminum wetting film by bridging between adjacent TiB2~ particles. In the case of the coating material according to the invention, 20 wt-* T1B2 in the surface will give a pseudo-aluminium-wetted surface. A preferred total content of T1B2 in the surface layer of 35-60 wt-* will allow mixing of inhomogeneities and a longer coating life. Modification of the RHM particle properties and/or changing the coating formulation and/or the RHM distribution in the coating may enable the use of smaller amounts of RHM. Cracks in the coating should be less than 5 mm in width, preferably less than 1 mm wide.

To forskjellige typer av TiB2~pulver har vært benyttet i testcellene. Ingen forskjell kunne påvises i blande- og beleggmetodene når det høyrene (+99,5) T1B2 ble erstattet med mindre rent (98*) materiale. En karbotermisk prosess ble benyttet for å fremstille det høyrene pulveret mens en lysbue-smelteprosess ble benyttet for å fremstille det billigere, mindre rene pulveret. Two different types of TiB2 powder have been used in the test cells. No difference could be detected in the mixing and coating methods when the pure (+99.5) T1B2 was replaced with less pure (98*) material. A carbothermic process was used to produce the higher purity powder while an arc melting process was used to produce the cheaper, less pure powder.

Mens ingen minimum eller maksimum beleggtykkelse hittil har vært definert, gir tykkere belegg lengre belegglevetid. Tendensen er imidlertid større for sprekkdannelse og høyere beleggomkostninger med tykkere belegg. Den foretrukne beleggtykkelse er fra 1 cm til 1,6 cm for å minimalisere tilbøyeligheten for blæredannelse eller sprekkdannelse i belegget under herding og karbonisering. Maksimum beleggtykkelse bør være 1 overensstemmelse med forventet celleleve-tid, dvs. der er intet behov for at en beleggtykkelse skal vare i 10 år dersom cellelevetiden forventes å være bare 7 år. While no minimum or maximum coating thickness has yet been defined, thicker coatings provide longer coating life. However, the tendency is greater for cracking and higher coating costs with thicker coatings. The preferred coating thickness is from 1 cm to 1.6 cm to minimize the tendency for blistering or cracking of the coating during curing and carbonization. The maximum coating thickness should be 1 in accordance with the expected cell lifetime, i.e. there is no need for a coating thickness to last for 10 years if the cell lifetime is expected to be only 7 years.

Det er også innbefattet at beleggmaterialet kan påføres som et enkelt lag eller som flere lag, hvilke lag kan herdes individuelt mellom påføringer. Ifølge dette trekk, er det mulig å fremstille en vesentlig beleggtykkelse (f.eks.5 cm eller mer) ved suksessiv påføring av tynne lag av beleggmateriale og herding av slike lag individuelt. For størst bindestyrke kan det være ønskelig å behandle overflaten av hvert herdet lag ved skraping eller stålbørsting, f.eks. forut for påføring av det neste laget. Det er også ved hjelp av denne teknikk mulig å oppnå et gradert RHM-innhold i belegget ved å forandre RHM-konsentrasjonen i suksessive lag av beleggmaterialet. It is also included that the coating material can be applied as a single layer or as several layers, which layers can be cured individually between applications. According to this feature, it is possible to produce a substantial coating thickness (eg 5 cm or more) by successively applying thin layers of coating material and curing such layers individually. For greatest bond strength, it may be desirable to treat the surface of each hardened layer by scraping or steel brushing, e.g. prior to applying the next layer. It is also possible using this technique to achieve a graded RHM content in the coating by changing the RHM concentration in successive layers of the coating material.

Den generelle fremgangsmåte som benyttes for å belegg individuelle katodeblokker, sammensette katodene og koble celler er oppsummert nedenfor. 1. Stålbørsting og vakuumrensing av katodeblokkenes toppflate. The general procedure used to coat individual cathode blocks, assemble the cathodes and connect cells is summarized below. 1. Steel brushing and vacuum cleaning of the top surface of the cathode blocks.

2. Feste formen rundt toppen av hver blokk. 2. Attach the shape around the top of each block.

3. Blande tørr beleggkomponenter. 3. Mix dry coating components.

4. Forvarme beleggmaterialer og blokker. 4. Preheat coating materials and blocks.

5. Blande beleggmaterialet. 5. Mix the coating material.

6. Påføre et tynt belegg og arbeide det inn i blokkoverflaten. 7. Fullføre påføring av belegg og benytte en stang for å jevne ut belegget med toppen av formen. 8. Vente 15-30 minutter før bruk av en metallmureskje for å delvis glatte ut beleggoverflaten. 9. Innføre et termoelement i siden av belegget og anbringe belagte blokker i en herdeovn. 6. Apply a thin coating and work it into the block surface. 7. Complete coating application and use a rod to level the coating with the top of the mold. 8. Wait 15-30 minutes before using a metal trowel to partially smooth the coating surface. 9. Insert a thermocouple into the side of the coating and place coated blocks in a curing oven.

10. Herde. 10. Curing.

11. Fjerne beleggingsformer fra blokkene. 11. Remove coating forms from the blocks.

12. Plassere de herdede blokkene i en metallboks, dekke med koks og oppvarme for delvis karbonisering. 12. Place the hardened blocks in a metal box, cover with coke and heat for partial carbonization.

13. Avkjøle blokkene før fjerning av disse fra kokslaget. 13. Cool the blocks before removing them from the cooking layer.

14. Støpe blokkene på kollektorstaver. 14. Cast the blocks on collector rods.

15. Stampe kollektorstavanordningene i katodeskallet og stampe sideveggene. 16. Børste vekk overskudd stampemateriale fra den belagte blokkoverflaten. 17. Følge konvensjonelle metoder for katodeinstallasjon, brenne og tilkoble. 15. Stamp the collector rod assemblies into the cathode shell and stamp the side walls. 16. Brush away excess tamping material from the coated block surface. 17. Follow conventional methods of cathode installation, burning and connecting.

Ensartetheten, bearbeidbarheten og bindingsegenskapene til belegget er sterkt påvirket av temperatur. De foretrukne forblandingstemperaturer for blandevæsken og faste andeler av beleggmaterialet er 40-45°C og 30-35°C, respektivt. Et forblandingstemperaturområde på 20-45°C har vært benyttet for blandevæsken og faste komponenter uten noen alvorlige problemer. Temperaturen på katodeblokken eller overflaten som skal belegges bør være mellom 20 og 65°C, fortrinnsvis mellom 40 og 50°C. The uniformity, workability and bonding properties of the coating are strongly influenced by temperature. The preferred premix temperatures for the mixing liquid and solids of the coating material are 40-45°C and 30-35°C, respectively. A premix temperature range of 20-45°C has been used for the mixing liquid and solid components without any serious problems. The temperature of the cathode block or the surface to be coated should be between 20 and 65°C, preferably between 40 and 50°C.

En lav forblandingstemperatur resulterte i ikke-ensartet blanding og nødvendigheten av å tilsette mer oppløsnings-middel for å gjøre belegget bearbeidbart. Begge deler ga små blærer i belegget. En høy forblandingstemperatur forårsaker en delvis for tidlig herding av belegget, hvilket resulterte i dårlig bearbeidbarhet og dårlig binding til karbonsubstratet . A low premix temperature resulted in non-uniform mixing and the need to add more solvent to make the coating workable. Both parts produced small blisters in the coating. A high premix temperature causes a partially premature curing of the coating, which resulted in poor machinability and poor bonding to the carbon substrate.

En lav blokktemperatur gjorde det vanskelig å sprede belegget jevnt og oppnå den nødvendige fukting av karbonsubstratet som skal til for god binding. En høy blokktemperatur forårsaket delvis for tidlig herding og for sterk krymping i belegget. For sterk krymping øket tilbøyeligheten til sprekkdannelse og delaminering fra karbonsubstratet. A low block temperature made it difficult to spread the coating evenly and achieve the necessary wetting of the carbon substrate that is needed for good bonding. A high block temperature partly caused premature hardening and too strong shrinkage in the coating. Too much shrinkage increased the tendency for cracking and delamination from the carbon substrate.

Som angitt, foreligger det visse områder av akseptable temperaturer for foroppvarmingsbehandling av beleggmaterialet og katodeblokkene. Det bemerkes også at beleggtykkelsen kan variere fra omtrent 0,6 til 1,6 cm, eller høyere. Foretrukne områder er angitt i tabell I. As indicated, there are certain ranges of acceptable temperatures for preheat treatment of the coating material and cathode blocks. It is also noted that the coating thickness can vary from about 0.6 to 1.6 cm, or higher. Preferred areas are indicated in Table I.

Tilbøyeligheten for blæredannelse i belegget ble påvirket av graden av og benyttet teknikk for ferdigbehandling av toppflaten til det påførte våte belegg. En ferdigbehandlet glatt overflate oppnås ved enten tørr- eller våtbearbeidelse av beleggoverflaten, viste en større tendens for dannelse av blærer enn en ujevn overflate pålagt med mureskje. En glatt overflate fremmet hurtig dannelse av en film som forseglet overflaten og hemmet frigjøringen av blæredannende gasser utviklet under herding. I motsetning til dette, fremmer ufullkommenheter i den delvis utglattede overflaten fri-gjøringen av gass under herdingscyklusen. Overflaten til 8 blokker belagt med formuleringer angitt i eksempel 6, ble ferdigbehandlet og gjort glatt ved både våt- og tørr-bearbeidelse, og blærer ble observert i beleggene hos disse 8 blokker etter herding. Blærefrie belegg på 52 etterfølgende blokker under anvendelse av samme formulering ble oppnådd ved bare delvis utglatting av overflaten til det våte belegg. The tendency for blistering in the coating was influenced by the degree of and technique used for finishing the top surface of the applied wet coating. A finished smooth surface achieved by either dry or wet processing of the coating surface showed a greater tendency for blistering than an uneven surface applied with a trowel. A smooth surface promoted rapid formation of a film that sealed the surface and inhibited the release of blistering gases developed during curing. In contrast, imperfections in the partially smoothed surface promote the release of gas during the curing cycle. The surface of 8 blocks coated with the formulations indicated in example 6 was finished and made smooth by both wet and dry processing, and blisters were observed in the coatings of these 8 blocks after curing. Blister-free coatings on 52 subsequent blocks using the same formulation were achieved by only partially smoothing the surface of the wet coating.

Overflateteksturen for forskjellige ferdigbehandlinger av belegg fremstilt fra beleggmaterialet i eksempel 8 har også blitt karakterisert. Teknikken i dette tilfellet gikk ut på å ta en 2 cm x 2 cm x 2 cm prøve av belagt blokk og anbringe denne i en epoksyharpiks fylt med hvitt pulver for oppnåelse av en hvit bakgrunn mot det sorte belegget. Det anordnede prøvestykket ble deretter oppdelt i seksjoner og polert for å vise den detaljerte profil til beleggoverflaten. Denne ble fotografert ved 12 gangers forstørrelse og konturen til beleggoverflaten ble opptegnet på alminnelig papir. "Typiske" 5 mm seksjoner av denne profil ble deretter analysert uttrykt som en maksimum topp-til-dal-høyde og gjennomsnittet beregnet. Verdier for disse målinger er angitt i tabell II. Det ble notert at belagte katoder som ble gitt en glatt ferdigbehandling i helt tørr og helt våt tilstand, viste blæredannelse, mens de som var gitt en halvglatt ferdigbehandling, resulterte i akseptabelt belegg. Man kan følgelig tenke seg at en overflatestruktur med gjennomsnittlige topp-til-dal-høyder på mindre enn 0,65 mm bør unngås. The surface texture for different finish treatments of coatings produced from the coating material in example 8 has also been characterized. The technique in this case involved taking a 2 cm x 2 cm x 2 cm sample of coated block and placing it in an epoxy resin filled with white powder to achieve a white background against the black coating. The assembled sample was then sectioned and polished to reveal the detailed profile of the coating surface. This was photographed at 12 times magnification and the contour of the coating surface was recorded on ordinary paper. "Typical" 5 mm sections of this profile were then analyzed expressed as a maximum peak-to-trough height and averaged. Values for these measurements are given in table II. It was noted that coated cathodes given a smooth finish in fully dry and fully wet conditions showed blistering, while those given a semi-smooth finish resulted in an acceptable coating. One can therefore imagine that a surface structure with average peak-to-valley heights of less than 0.65 mm should be avoided.

Den høye porøsiteten til grafittpartikler (UCAR® BB-6) eller annet ekvivalent porøst aggregat, fremmet unnvikelsen av oppløsningsmiddel og andre gasser under herdings- og karboniseringscykelen, sammenlignet med det for regulært koksmateriale, slik som UCAR® 6-03 koks. Tilsetning av et porøst aggregat til belegget reduserte tilbøyeligheten for dannelse av blærer og omfanget av beleggkrymping under herding. For sterk krymping svekker bindingsstyrken mellom belegg og substrat, og fremmer sprekkdannelse. The high porosity of graphite particles (UCAR® BB-6) or other equivalent porous aggregate, promoted the escape of solvent and other gases during the curing and carbonization cycle, compared to that of regular coke material, such as UCAR® 6-03 coke. Addition of a porous aggregate to the coating reduced the tendency for blistering and the extent of coating shrinkage during curing. Too much shrinkage weakens the bond strength between coating and substrate, and promotes crack formation.

Eksempel 1: Forkul1ingsutbytte. Example 1: Carbonization yield.

Nøyaktig kjente vekter av blandevæske og faste komponenter for forskjellige karbonsystemer ble blandet i en Teflon®-belagt form med dimensjoner 5,1 cm x 1,27 cm x 0,63 cm dyp. Når systemet omfattet et separat herdemiddel, ble vekten av herdemiddel inkludert sammen med vekten av blandevæsken. Hvert karbonsystem ble ført gjennom den vanlige herdecykel, deretter veiet og fjernet fra formen. Det herdede stykket ble deretter oppvarmet til konstant vekt i en aluminiumoksyddigel ved 250°C i luft, og vekten ble korrigert for eventuelt tap som kunne ha oppstått ved fjerning av stykket fra formen (f.eks. brudd, støvdannelse eller adhesjon til formen). Den ekstra polerte vekten var således den "virkelige" vekt som prøven ville ha oppnådd ved 250°C i fravær av fysisk behandling. Stykket ble deretter sintret til 1000°C over en periode på 24 timer i en aluminiumoksyddigel under en argonatmosfære. Etter avkjøling I ovnen, ble prøven veiet og vekten ble igjen korrigert for å tilsvare den opprinnelige vekt av sammensetning (istedenfor vekten som benyttet i sintringsfasen). Den justerte forkullingsvekt representerer således den totale forkullingsvekt som resulterer fra den opprinnelige prøven. Accurately known weights of mixing fluid and solid components for various carbon systems were mixed in a Teflon®-coated mold with dimensions 5.1 cm x 1.27 cm x 0.63 cm deep. When the system included a separate curing agent, the weight of curing agent was included with the weight of the mixing liquid. Each carbon system was run through the normal cure cycle, then weighed and removed from the mold. The cured piece was then heated to constant weight in an alumina crucible at 250°C in air, and the weight was corrected for any loss that might have occurred when the piece was removed from the mold (eg, breakage, dusting, or adhesion to the mold). The extra polished weight was thus the "real" weight that the sample would have achieved at 250°C in the absence of physical treatment. The piece was then sintered at 1000°C over a period of 24 hours in an alumina crucible under an argon atmosphere. After cooling in the oven, the sample was weighed and the weight was again corrected to correspond to the original weight of composition (instead of the weight used in the sintering phase). The adjusted char weight thus represents the total char weight resulting from the original sample.

En nøyaktig bestemt vekt av de opprinnelige faste stoffene ble ekstrahert med kokende metyletylketon (MEK) i en soxhlet-ekstraksjonsapparat i 4 timer, eller lenger, dersom ekstrak-tet fortsatte å komme ut farget etter den tid. Vekten av ekstrahert materiale ble bestemt ved å fordampe det innholds-rike oppløsningsmidlet til tørrhet (minst 24 timer) i et høyt begerglass, holdt i en vakuumovn ved omgivelsestemperatur. Vektøkningen over den til det tomme begerglasset ble tatt som vekten av ekstrahert materiale. Dette ble krysskontrollert med vekten av uoppløselige faste stoffer som var til stede i soxhlet-ekstraksjosbeholderen (også fordampet til tørrhet og konstant vekt under vakuum). An accurately determined weight of the original solids was extracted with boiling methyl ethyl ketone (MEK) in a soxhlet extractor for 4 hours, or longer if the extract continued to come out colored after that time. The weight of extracted material was determined by evaporating the rich solvent to dryness (at least 24 hours) in a tall beaker kept in a vacuum oven at ambient temperature. The increase in weight above that of the empty beaker was taken as the weight of extracted material. This was cross-checked with the weight of insoluble solids present in the soxhlet extraction vessel (also evaporated to dryness and constant weight under vacuum).

Vekten av MEK-uoppløselige stoffer i det opprinnelige karbonsystem beregnes deretter ut fra den kjente vekten av faste stoffer som opprinnelig var til stede og prosentandelen av disse faste stoffer som omfatter de MEK-uoppløselige stoffene. Disse faste stoffene ble antatt ikke å gjennomgå noe vekttap til 250°C. Vekten av "harpiks" (i dette tilfelle definert som alt annet enn MEK-uoppløselige stoffer i karbonsystemet herdet til 250°C) i prøvestykket ved 250°C er således gitt av den "virkelige" prøvestykkevekt ved 250"C minus vekten av MEK-uoppløselige stoffer som opprinnelig til stede.* The weight of MEK-insolubles in the original carbon system is then calculated from the known weight of solids originally present and the percentage of these solids that comprise the MEK-insolubles. These solids were assumed to undergo no weight loss up to 250°C. The weight of "resin" (in this case defined as anything other than MEK insolubles in the carbon system cured at 250°C) in the specimen at 250°C is thus given by the "actual" specimen weight at 250°C minus the weight of MEK insoluble substances originally present.*

Forkullingsvekten på grunn av de MEK-uoppløselige stoffer ble bestemt ved sintring av ekstraksjonsresten fra soxhlet-beholderen til 1000"C under en argonatmosfære i en aluminiumoksyddigel. Den resulterende forkullingsvekt ble Igjen justert for å tilsvare den faktiske vekt ved å subtrahere MEK-uoppløselige stoffer funnet i prøven til å begynne med. Forkullingsvekten fra harpiksen var således den totale forkullingsvekt minus forkullingsvekten fra MEK-uoppløselige stoffer. Og "forkullingsutbytte" var forkullingsvekten fra harpiksen som en prosentandel av den totale harpiksvekt i "slug"-materialet ved 250'C. The char weight due to the MEK insolubles was determined by sintering the extraction residue from the soxhlet vessel at 1000°C under an argon atmosphere in an alumina crucible. The resulting char weight was again adjusted to correspond to the actual weight by subtracting the MEK insolubles found in the sample to begin with. Thus, the char weight from the resin was the total char weight minus the char weight from MEK insolubles. And "char yield" was the char weight from the resin as a percentage of the total resin weight in the "slug" material at 250'C.

Resultater fra disse målinger er som følger: Results from these measurements are as follows:

Eksempel 2: Ekspanslonsverdier. Example 2: Expansion values.

En prøve av et beleggmateriale ble fremstilt og spredt ut i en Teflon®-belagt form med dimensjoner 5,1 cm x 1,25 cm x 0,63 cm dyp. Dette ble ført gjennom den vanlige herdecykel, fikk avkjøles, og prøven ble fjernet fra formen. Prøven ble oppdelt i 4 teststykker med dimensjoner 2,5 cm x 0,6 cm x 0,6 cm, hvilke ble tørket til konstant vekt i en aluminiumoksyddigel ved 250°C (vanligvis 16-24 timer). A sample of a coating material was prepared and spread into a Teflon®-coated mold with dimensions 5.1 cm x 1.25 cm x 0.63 cm deep. This was run through the normal curing cycle, allowed to cool, and the sample was removed from the mold. The sample was divided into 4 test pieces with dimensions 2.5 cm x 0.6 cm x 0.6 cm, which were dried to constant weight in an alumina crucible at 250°C (usually 16-24 hours).

Et teststykke ble målt ved anvendelse av et mikrometer, deretter oppvarmet fra romtemperatur til 1000°C i et dilatometer som ble kontinuerlig spylt med argon. Utvidel-sen/kontraksjonen ble registrert kontinuerlig som en funksjon av temperatur på et XY-registreringsapparat. To krympeverdier ble beregnet; en basert på den opprinnelige prøvelengden sammen med lengden ved 1000"C; den andre basert på den opprinnelige lengden sammen med den sluttelige lengden når først prøven hadde blitt avkjølt tilbake til romtemperatur. Sluttlengder for prøvene ble også målt med et mikrometer etter avkjøling som en dobbelt kontroll av registrerings-systemet. Prøvene som ble testet var som angitt i tabell IV. A test piece was measured using a micrometer, then heated from room temperature to 1000°C in a dilatometer continuously flushed with argon. The expansion/contraction was recorded continuously as a function of temperature on an XY recorder. Two shrinkage values were calculated; one based on the initial sample length along with the length at 1000"C; the other based on the initial length along with the final length once the sample had cooled back to room temperature. Final lengths of the samples were also measured with a micrometer after cooling as a double control of the registration system The samples tested were as indicated in Table IV.

Mens den totale ekspansjon av beleggmaterialene synes å vise relativt dårlig reproduserbarhet, til tross for meget nøye prøvepreparering og ensartet temperaturcyklus, noteres det at etter karbonisering viser ekspansjon av beleggmaterialet mellom 800 og 1000°C god reproduserbarhet og er meget lik blokkekspansjon. Det noteres videre at UCAR® C-34-sementen i seg selv viser en uakseptabel ekspansjon over dette temperaturområdet . While the overall expansion of the coating materials seems to show relatively poor reproducibility, despite very careful sample preparation and uniform temperature cycling, it is noted that after carbonization, expansion of the coating material between 800 and 1000°C shows good reproducibility and is very similar to block expansion. It is further noted that the UCAR® C-34 cement itself shows an unacceptable expansion above this temperature range.

Det antas at opp til punktet for full karbonisering (ca. 800'), har belegget tilstrekkelig flyt til å gi rom for eventuell mistilpasning i C.T.E. mellom belegg og katodesubstrat. Ut over dette punkt, blir belegget stivt og sprøtt, slik at dersom en forskjell i C.T.E. eksisterer, kan denne bare tilpasses ved utvikling av indre spenninger eller ved åpning av større sprekker. It is assumed that up to the point of full carbonation (approx. 800'), the coating has sufficient flow to allow for any mismatch in the C.T.E. between coating and cathode substrate. Beyond this point, the coating becomes stiff and brittle, so that if a difference in C.T.E. exists, this can only be adapted by developing internal stresses or by opening larger cracks.

Eksempel 3 Example 3

Et beleggmateriale (CM-24A) ble fremstilt ved kombinasjon og blanding av følgende komponenter (prosentangivelser er ved vekt): 36* TiB2, mindre enn 325 mesh (0,043 mm); 34,2* Union Carbide UCAR® C-34 karbonsementfaststoff; 19,7* UCAR® C-34 blandevaeske; 10,1* Union Carbide kalsinert petroleumkoks-partikler, kvalitet 6-03. A coating material (CM-24A) was prepared by combining and mixing the following components (percentages are by weight): 36* TiB2, less than 325 mesh (0.043 mm); 34.2* Union Carbide UCAR® C-34 carbon cement solid; 19.7* UCAR® C-34 mixing fluid; 10.1* Union Carbide Calcined Petroleum Coke Particles, Grade 6-03.

Det resulterende beleggmaterialet ble påført på et 7,5 cm x 15 cm katodeblokksubstrat. Tilstrekkelig materiale til å oppnå et lag med en dybde på omkring 0,16 cm ble påført og arbeidet inn i blokkoverflaten. Ytterligere materiale for oppnåelse av et lag med en tykkelse på omkring 1,59 cm ble tilsatt, utglattet og gjort plant. The resulting coating material was applied to a 7.5 cm x 15 cm cathode block substrate. Sufficient material to achieve a layer about 0.16 cm deep was applied and worked into the block surface. Additional material to obtain a layer about 1.59 cm thick was added, smoothed and leveled.

Belegget ble herdet ved oppvarming ved 25°C/time til 100°C, opphold i 5 timer, oppvarming ved 25"C/time til 140"C, opphold i 24 timer, og luftavkjøling til romtemperatur. The coating was cured by heating at 25°C/hour to 100°C, holding for 5 hours, heating at 25°C/hour to 140°C, holding for 24 hours, and air cooling to room temperature.

Etter herding kunne flere små sprekker ses, men belegg-til-substrat-bindingen var intakt. After curing, several small cracks could be seen, but the coating-to-substrate bond was intact.

Eksempel 4 Example 4

Et beleggmateriale (CM-37) ble fremstilt ved kombinasjon og blanding av følgende komponenter: 36*T1B2, mindre enn 325 mesh (0,043 mm); 29,4* UCAR® C-34 sementfaststoff; 32,4* UCAR® C-34 blandevæsker; 2,2* Great Lakes Carbon FORTAFIL® ulimt fiber med lengder 0,63 cm. A coating material (CM-37) was prepared by combining and mixing the following components: 36*T1B2, less than 325 mesh (0.043 mm); 29.4* UCAR® C-34 cement solids; 32.4* UCAR® C-34 Mixing Fluids; 2.2* Great Lakes Carbon FORTAFIL® unbonded fiber with lengths 0.63 cm.

Det resulterende beleggmaterialet ble påført på et 7,5 cm x 15 cm katodeblokksubstrat og herdet på en måte lik den som er beskrevet i eksempel 3. The resulting coating material was applied to a 7.5 cm x 15 cm cathode block substrate and cured in a manner similar to that described in Example 3.

Etter herding viste belegget ingen sprekker slik tilfellet var i belegget med karbonaggregatet benyttet i eksempel 3. Karbonfibrene synes å virke som sprekkstoppere i katodebelegget og bør derfor resultere i en lengre katodelevetid. After curing, the coating showed no cracks as was the case in the coating with the carbon aggregate used in example 3. The carbon fibers seem to act as crack stoppers in the cathode coating and should therefore result in a longer cathode lifetime.

Eksempel 5 Example 5

Et 7,5 c x 15 cm stykke av katodeblokk ble benyttet som et substrat for et beleggmateriale (CM-38A) bestående av 37,5* TIB2, 30,6* UCAR® C-34 sementfaststoff, 29,6* UCAR® C-34 blandevæske og 2,3* F0RTAFIL® ulimt karbonfiber. Dette materialet ble påført på en måte lik den i eksempel 3 til en slutt-tykkelse på 0,95 cm. A 7.5 c x 15 cm piece of cathode block was used as a substrate for a coating material (CM-38A) consisting of 37.5* TIB2, 30.6* UCAR® C-34 cement solid, 29.6* UCAR® C- 34 mixing fluid and 2.3* F0RTAFIL® unglued carbon fiber. This material was applied in a manner similar to that in Example 3 to a final thickness of 0.95 cm.

Det belagte substrat ble deretter herdet i overensstemmelse med følgende cyklus: Den belagte blokken ble oppvarmet til 100°C ved en hastighet på 25°C pr. time og holdt ved denne temperatur 1 3 timer. Oppvarming ble fortsatt ved 25°C pr. time til 140°C, ved hvilken temperatur blokken ble holdt i 16 timer. Den belagte blokk ble deretter fjernet og fikk luftkjøles til romtemperatur. Ingen overflateblærer, sprekker eller blandingsdefekter var synlige ved inspeksjon. The coated substrate was then cured according to the following cycle: The coated block was heated to 100°C at a rate of 25°C per minute. hour and kept at this temperature for 1 3 hours. Heating was continued at 25°C per hour to 140°C, at which temperature the block was held for 16 hours. The coated block was then removed and allowed to air cool to room temperature. No surface blisters, cracks or mix defects were visible upon inspection.

Den herdede blokken ble deretter karbonisert ved oppvarming til 1000°C i løpet av en 24 timers periode i en argonatmosfære for å unngå oksydasjon. Blokken fikk deretter avkjøles til under 200°C under en argonatmosfære, fjernet og avkjølt til romtemperatur. Etter avkjøling viste undersøkelse ingen defekter. Integritet og substratbinding forble upåvirket ved karbonisering. The hardened block was then carbonized by heating to 1000°C over a 24 hour period in an argon atmosphere to avoid oxidation. The block was then allowed to cool to below 200°C under an argon atmosphere, removed and cooled to room temperature. After cooling, examination showed no defects. Integrity and substrate binding remained unaffected by carbonization.

Eksempel 6 Example 6

Blandevæske-innholdet ble redusert fra ca. 20-32 vekt-* til ca. 15-19 vekt-* for å opptrappe beleggprosessen for belegging av små testblokker (7,5 cm x 15 cm) til den for katodeblokker i full målestokk (50,2 cm x 52,1 cm). Blærer ble dannet under herdecykelen når formuleringer med større innhold av oppløsningsmiddel ble benyttet for belegging av de større katodeblokkene. Etter hvert som forholdet mellom overflateareal og omkrets for blokken som skal belegges øket, var det en økende tendens for at belegget skulle danne blærer, dvs. oppløsningsmidlet kunne ikke unnslippe under herdecykelen. Blæredannelse hadde også tilbøyelighet til å øke med beleggtykkelse, dvs. 0,32 cm tykke belegg hadde liten tendens til blæredannelse, mens 1,27 cm tykke belegg hadde en sterk tendens til blæredannelse. Blærefrie belegg ble oppnådd på katodeblokker under anvendelse av følgende formulering (CM-66): 36 vekt-* TiB2-pulver, mindre enn 325 mesh (0,043 mm), The mixing liquid content was reduced from approx. 20-32 weight-* to approx. 15-19 wt-* to step up the coating process for coating small test blocks (7.5 cm x 15 cm) to that of full scale cathode blocks (50.2 cm x 52.1 cm). Blisters were formed during the curing cycle when formulations with higher solvent content were used to coat the larger cathode blocks. As the surface area to perimeter ratio of the block to be coated increased, there was an increasing tendency for the coating to blister, ie the solvent could not escape during the curing cycle. Blistering also tended to increase with coating thickness, i.e. 0.32 cm thick coatings had little tendency to blister, while 1.27 cm thick coatings had a strong tendency to blister. Blister-free coatings were obtained on cathode blocks using the following formulation (CM-66): 36 wt* TiB2 powder, less than 325 mesh (0.043 mm),

36,35 vekt-* UCAR® C-34 sementfaststoff. 36.35 wt-* UCAR® C-34 cement solids.

19,3 vekt-* UCAR® C-34 blandevæske, 19.3 wt-* UCAR® C-34 mixing fluid,

0,35 vekt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, ulimte 0.35 wt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, unbonded

karbonfibrer, 0,63 cm lengde, carbon fibers, 0.63 cm length,

8,0 vekt-* UCAR® BB-6 grafittpartikler. 8.0 wt-* UCAR® BB-6 graphite particles.

En kommersiell VSS aluminiumreduksjonscelle ble operert eksperimentelt i 310 dager under anvendelse av en katode belagt med et 0,63 cm tykt belegg med den ovenfor angitte formulering. Celleenergi-effektiviteten var 0,14 kWh pr. pund fremstilt aluminium lavere enn det som var gjennomsnittet for anlegget 1 de siste ni måneder med drift. A commercial VSS aluminum reduction cell was operated experimentally for 310 days using a cathode coated with a 0.63 cm thick coating of the above formulation. The cell energy efficiency was 0.14 kWh per pounds of aluminum produced lower than the average for plant 1 in the last nine months of operation.

Etter 310 dagers drift ble testcellen (A-43) avstengt og det smeltede metallet og badet tappet, slik at mindre enn 5 cm metall var tilbake i bunnen i katodehulrommet. Undersøkelse av en kjerneprøve med en diameter på 4,5 cm fra den kalde testkatoden, viste at beleggtapet var i overensstemmelse med den planlagte belegglevetid som bestemt fra metallanalyse (dvs. omtrent 1/3 av den opprinnelige beleggtykkelsen hadde gått tapt). I isolerte områder av katoden var det tegn på at hele belegget hadde gått tapt. After 310 days of operation, the test cell (A-43) was shut down and the molten metal and bath drained, leaving less than 5 cm of metal at the bottom of the cathode cavity. Examination of a 4.5 cm diameter core sample from the cold test cathode showed that the coating loss was consistent with the expected coating life as determined from metal analysis (ie approximately 1/3 of the original coating thickness had been lost). In isolated areas of the cathode there were signs that the entire coating had been lost.

Kjerneprøver fra testcelle A-46 i tabell IV, som også ble avstengt, bekreftet at beleggtapet var i overensstemmelse med den planlagte belegglevetid bestemt ut fra metallanalyse. Det var intet tegn på isolerte arealer av beleggsvikt eller smussdannelse på katodeoverflaten i denne cellen. Core samples from test cell A-46 in Table IV, which was also shut down, confirmed that the coating loss was in accordance with the planned coating life determined from metal analysis. There was no evidence of isolated areas of coating failure or fouling on the cathode surface in this cell.

Eksempel 7 Example 7

Tendensen for dannelse av blærer ble redusert ved å minske fiberinnholdet i belegget, fordi nedsettelse av fiberinnholdet nedsatte mengden av oppløsningsmiddel som var nødvendig for å gjøre belegget bearbeidbart. Det var imidlertid en tendens for dannelse av fine vertikale sprekker i belegget. Disse fine vertikale sprekk representerte en måte på hvilken oppløsningsmidlet kunne unnslippe under herdecykelen og dermed ble blaeredannelsen redusert. Blærefrie, men fint oppsprukkede belegg ble oppnådd på katodeblokker ved bruk av følgende formulering (CM-78B): 46,0 vekt-* TiBg-pulver mindre enn 325 mesh (0,043 mm), 28,5 vekt-* UCAR® C-34 sementfaststoff, The tendency for blistering was reduced by reducing the fiber content of the coating, because reducing the fiber content reduced the amount of solvent required to make the coating workable. However, there was a tendency for the formation of fine vertical cracks in the coating. These fine vertical cracks represented a means by which the solvent could escape during the curing cycle and thus blistering was reduced. Blister-free but finely cracked coatings were obtained on cathode blocks using the following formulation (CM-78B): 46.0 wt-* TiBg powder less than 325 mesh (0.043 mm), 28.5 wt-* UCAR® C-34 cement solids,

15,5 vekt-* UCAR® C-34 blandevæske, 15.5 wt-* UCAR® C-34 mixing fluid,

10,0 vekt-* UCAR® BB-6 grafittpartikler. 10.0 wt-* UCAR® BB-6 graphite particles.

Mange problemer resulterte under det innledende trinn av dette beleggingsforsøk på grunn av et forsøk på å danne en meget glatt beleggoverflate. Etter påføring av beleggmaterialet på katodesubstratet, ble det fuktet med overskudd blandevæske og fullstendig utglattet. Many problems resulted during the initial stage of this coating experiment due to an attempt to form a very smooth coating surface. After applying the coating material to the cathode substrate, it was moistened with excess mixing liquid and completely smoothed.

Slike glatte belegg utviklet sterk blæredannelse ved herding. Den ekstra blandevæsken dannet tydeligvis en "hud" på overflaten under herding, og hemmet unnvikelsen av utviklede gasser. Dette resulterte 1 blæredannelse og ufullkomne belegg. Når overflatene til etterfølgende belegg ble gitt en lett overflate-ferdigbehandling uten overskudd væske, oppsto ingen blæredannelse og akseptable herdede overflater resulterte. Det ble også notert at omgivelsestemperaturer hadde en effekt på blandingen og spredbarheten til beleggmaterialet idet kaldere temperaturer resulterte i en stivere, mer vanskelig beleggpåføring. Such smooth coatings developed strong blistering during curing. The additional mixing liquid apparently formed a "skin" on the surface during curing, inhibiting the escape of evolved gases. This resulted in 1 blistering and imperfect coating. When the surfaces of subsequent coatings were given a light surface finish without excess liquid, no blistering occurred and acceptable hardened surfaces resulted. It was also noted that ambient temperatures had an effect on the mixing and spreadability of the coating material, with colder temperatures resulting in a stiffer, more difficult coating application.

Så lenge vertikale sprekker forblir små, hemmer de ikke beleggets funksjon. TiB2~innholdet ble øket i denne formulering for å øke belegglevetiden, basert på en antatt konstant TiB2-oppløsningshastighet. En kommersiell VSS aluminiumreduksjonscelle ble operert eksperimentelt i mer enn 225 dager under anvendelse av en katode belagt med en ovenfor angitte formulering i en tykkelse på 0,95 cm. Celleenergi-effektiviteten var 0,19 kWh pr. pund av fremstilt aluminium lavere enn det som var gjennomsnittet for anlegget i siste 6 måneder med drift. As long as vertical cracks remain small, they do not inhibit the performance of the coating. The TiB2~ content was increased in this formulation to increase coating life, based on an assumed constant TiB2 dissolution rate. A commercial VSS aluminum reduction cell was operated experimentally for more than 225 days using a cathode coated with the above formulation at a thickness of 0.95 cm. The cell energy efficiency was 0.19 kWh per pounds of aluminum produced lower than the average for the plant in the last 6 months of operation.

Eksempel 8 Example 8

Formuleringen I eksempel 7 hie modifisert for å redusere antallet av vertikale sprekker i belegget, men det hele tiden ble opprettholdt et lavt oppløsningsmiddelInnhold for å hindre dannelsen av blærer. Foretrukne formuleringer (CM-82 og CM-82A), hvis herdede harpiksholdige bindemiddel har et forkullingsutbytte på 94*. som bestemt ved forkullings-utbytteanalyse av dette belegg, følger: The formulation in Example 7 was modified to reduce the number of vertical cracks in the coating, but a low solvent content was maintained throughout to prevent the formation of blisters. Preferred formulations (CM-82 and CM-82A), whose cured resinous binder has a char yield of 94*. as determined by charring yield analysis of this coating, follows:

CM- 82 CM-82

46,0 vekt-* TiB2~pulver, Carborundum mindre enn 325 mesh 46.0 wt-* TiB2~ powder, Carborundum less than 325 mesh

(0,043 mm), (0.043mm),

28,0 vekt-* UCAR® C-34 sementfaststoff, 28.0 wt-* UCAR® C-34 cement solids,

15.8 vekt-* UCAR® C-34 blandevæske, 15.8 weight-* UCAR® C-34 mixing fluid,

0,2 vekt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, karbonfibrer limt med UCAR® C-34 sement, 0,32 cm lengde, 10.9 vekt-* UCAR® BB-6 grafittpartikler. 0.2 wt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, carbon fibers bonded with UCAR® C-34 cement, 0.32 cm length, 10.9 wt-* UCAR® BB-6 graphite particles.

CM- 82A CM-82A

46,0 vekt-* TiB2-pulver, Metallurg mindre enn 325 mesh 46.0 wt-* TiB2 powder, Metallurg less than 325 mesh

(0,043 mm), (0.043mm),

28,0 vekt-* UCAR® C-34 sementfaststoff, 28.0 wt-* UCAR® C-34 cement solids,

15,8 vekt-* UCAR® C-34 blandevæske, 15.8 wt-* UCAR® C-34 mixing fluid,

0,2 vekt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, karbonfibrer limt med UCAR® C-34 sement, 0,32 cm lengde, 0.2 wt-* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3, carbon fibers bonded with UCAR® C-34 cement, 0.32 cm length,

10,0 vekt-* UCAR® BB-6 grafittpartikler. 10.0 wt-* UCAR® BB-6 graphite particles.

Katodeblokker for to VSS aluminiumreduksjon-testceller av kommersiell størrelse, ble med heldig utfall belagt til en tykkelse på 0,95 cm med de ovenfor angitte formuleringer og satt i drift i 125 dager. Antallet av vertikale sprekker i beleggene ble redusert til praktisk talt null. Celleenergi-effekt i vi tetene var 0,08 og 0,05 kWh pr. pund av fremstilt aluminium lavere enn det som var lavere enn gjennomsnittet for anlegget, respektivt, i de siste to måneder med drift. Cathode blocks for two commercial size VSS aluminum reduction test cells were successfully coated to a thickness of 0.95 cm with the above formulations and operated for 125 days. The number of vertical cracks in the coatings was reduced to practically zero. Cell energy effect in the weeks was 0.08 and 0.05 kWh per pounds of aluminum produced lower than that which was lower than the average for the plant, respectively, in the last two months of operation.

Ved fremstilling av de belagte katodeblokkene i dette eksemplet ble blokkene forvarmet til 40-50°C før belegging, på grunn av kjøligere omgivelsestemperatur, for å gl god beleggmaterial-bearbeidbarhet uten nødvendigheten av å tilsette ytterligere blandevæske. Det ble også notert at forvarming av de tørre og væskeformige komponentene i beleggmaterialet forut for blanding, forbedret blande- og påføringsegenskapene til beleggmaterialet. Videre, ved lavere blandevæskekonsentrasjoner oppsto mindre blæredannelse. In preparing the coated cathode blocks in this example, the blocks were preheated to 40-50°C prior to coating, due to the cooler ambient temperature, to allow good coating material workability without the need to add additional mixing fluid. It was also noted that preheating the dry and liquid components of the coating material prior to mixing improved the mixing and application properties of the coating material. Furthermore, at lower mixing liquid concentrations less blistering occurred.

Ytterligere forsøk ble utført under anvendelse av forskjellige beleggmaterialer og forvarming av katodeblokkene. Det ble funnet at forvarming av blokken til 70-80°C resulterte i en meget glatt og lett beleggpåføring, men forårsaket for tidlig herding, hvilket resulterende i sterk krymping og bindingssvekkelse. Det ble funnet at forvarmingstemperaturer på 40-50°C resulterte i den beste kombinasjon av beleggmaterial-bearbeidbarhet og eliminasjon av krympeeffekter. Further experiments were carried out using different coating materials and preheating the cathode blocks. It was found that preheating the block to 70-80°C resulted in a very smooth and light coating application, but caused premature curing, resulting in severe shrinkage and bond weakening. It was found that preheating temperatures of 40-50°C resulted in the best combination of coating material workability and elimination of shrinkage effects.

De foregående beleggformulerInger og ytterligere formuleringer fremstilt og benyttet for kommersielle VSS aluminiumcelle-katodeblokker, er oppsummert i følgende tabell V, hvor energieffektivitet er uttrykt som kWh pr. pund av fremstilt aluminium, og planlagt belegglevetid er basert på oppløsning av T1B2 i aluminiumproduktet. Ved en energikostnad på 22/1000 pr. kWh, forespeiles innsparinger fra størrelses-orden 10 dollar pr. tonn. I tillegg til den kommersielt tilgjengelige karbonsement UCAR® C-34 som benyttet i de foregående eksempler, har et stort antall andre termoherdende karbonsementer blitt benyttet for fremstilling av beleggmaterialer. I de fleste tilfeller har gode belegg blitt fremstilt. I de fleste tilfeller der belegg av dårlig kvalitet har resultert etter herding og karbonisering, antas det at gode belegg kan fremstilles ved å foreta spesielle modifikasjoner med beleggformuleringen. The previous coating formulations and additional formulations produced and used for commercial VSS aluminum cell cathode blocks are summarized in the following table V, where energy efficiency is expressed as kWh per pounds of aluminum produced, and planned coating life is based on dissolution of T1B2 in the aluminum product. At an energy cost of 22/1000 per kWh, savings from the order of 10 dollars per ton. In addition to the commercially available carbon cement UCAR® C-34 used in the previous examples, a large number of other thermosetting carbon cements have been used for the production of coating materials. In most cases, good coatings have been produced. In most cases where poor quality coatings have resulted after curing and carbonization, it is believed that good coatings can be produced by making special modifications to the coating formulation.

Eksempel 9 Example 9

Et beleggmateriale (CM-89) ble fremstilt ved kombinasjon og blanding av følgende komponenter: 36,5* TiB2, 34,6* UCAR® C-37 karbonsementfaststoff, 19,2* UCAR® C-37 blandevæske og 9,7* UCAR® BB-6 grafittaggregat. Dette materialet var vesentlig identisk med sammensetningen til UCAR® C-34 karbonsement, med tillegg av syrevasket karbonholdig fyllstoff i form av grafittflak for ekspansjon. Beleggmaterialet var relativt bearbeidbart og væskeformig, og kunne lett spredes med et lite verktøy på en Sumitomo SK katodeblokk, 7,5 cm x 15 cm x 5 cm, til en tykkelse på 0,95 cm. A coating material (CM-89) was prepared by combining and mixing the following components: 36.5* TiB2, 34.6* UCAR® C-37 carbon cement solid, 19.2* UCAR® C-37 mixing fluid and 9.7* UCAR ® BB-6 graphite aggregate. This material was essentially identical to the composition of UCAR® C-34 carbon cement, with the addition of acid-washed carbonaceous filler in the form of graphite flakes for expansion. The coating material was relatively workable and fluid, and could easily be spread with a small tool on a Sumitomo SK cathode block, 7.5 cm x 15 cm x 5 cm, to a thickness of 0.95 cm.

Denne belagte blokk ble herdet ved å heve temperaturen fra romtemperatur til 100°C i en 1-times periode. Opphold i 4 timer, oppvarming til 135°C i 1 time, opphold ved 135°C i 4 timer, oppvarming til 150°C i 1 time, opphold ved 150°C i 12 timer, oppvarming til 165°C i 1 timer, og opphold i 3 timer ved 165°C, fulgt av avkjøling i luft. Det herdede belegg viste bindingssvekkelse på grunn av krymping ved de ytre kanter på substratoverflaten med mindre Indre porøsitet, meget små laterale sprekker, og ingen overflatedefekter. This coated block was cured by raising the temperature from room temperature to 100°C for a 1-hour period. Stay for 4 hours, heating to 135°C for 1 hour, stay at 135°C for 4 hours, heating to 150°C for 1 hour, stay at 150°C for 12 hours, heating to 165°C for 1 hour, and stay for 3 hours at 165°C, followed by cooling in air. The cured coating showed bond weakening due to shrinkage at the outer edges of the substrate surface with less internal porosity, very small lateral cracks, and no surface defects.

Det belagte substrat ble deretter karbonisert ved oppvarming til 1000° C i en argonatmosfære i løpet av en 24-timers periode, og fikk avkjøles til romtemperatur. Belegget ble vesentlig ødelagt ved karbonisering, idet praktisk talt intet belegg var tilbake på substratoverflaten. Dette eksempel er illustrerende for viktigheten av valget av det karbonholdige additiv som benyttes i beleggmaterialet. I dette spesielle tilfellet innbefattet beleggmaterialet et uforenelig additiv i karbonsementharpiksen, spesielt et grafittflak-additiv egnet for å bevirke ekspansjon. The coated substrate was then carbonized by heating to 1000°C in an argon atmosphere over a 24-hour period and allowed to cool to room temperature. The coating was substantially destroyed by carbonization, as practically no coating remained on the substrate surface. This example is illustrative of the importance of the choice of the carbonaceous additive used in the coating material. In this particular case, the coating material included an incompatible additive in the carbon cement resin, specifically a graphite flake additive suitable for causing expansion.

Eksempel 10 Example 10

Et beleggmateriale (CM-90) ble fremstilt fra en blanding av 35* T1B2» mindre enn 325 mesh (0,043 mm), 33,4* UCAR® C-38 karbonsementfaststoff, 22,2* UCAR® C-38 blandevæske og 9,4* UCAR® BB-6 grafittpartikler. UCAR® C-38 sementen antas å være i det vesentlige identisk med UCAR® C-34 karbonsementen med tilsetning av en oksydasjonsinhibitor. Det fremstilte beleggmaterialet viste god bearbeidbarhet, fluiditet og var lett å spre på en Sumitomo SK blokk som angitt i foregående eksempel. Denne belagte blokk ble deretter herdet som i eksempel 9. Det herdede beleggmaterialet illustrerte meget store blærer under overflaten, god binding, god densitet og ingen overflatedefekter. A coating material (CM-90) was prepared from a mixture of 35* T1B2" less than 325 mesh (0.043 mm), 33.4* UCAR® C-38 carbon cement solid, 22.2* UCAR® C-38 mixing fluid and 9, 4* UCAR® BB-6 graphite particles. The UCAR® C-38 cement is believed to be essentially identical to the UCAR® C-34 carbon cement with the addition of an oxidation inhibitor. The produced coating material showed good workability, fluidity and was easy to spread on a Sumitomo SK block as indicated in the previous example. This coated block was then cured as in Example 9. The cured coating material illustrated very large blisters under the surface, good bonding, good density and no surface defects.

Etter karbonisering som angitt i eksempel 9, viste det karboniserte belegg svekkelse av binding på grunn av krymping av beleggmaterialet uten at noen overflatedefekter viste seg i det karboniserte belegg. Det antas at dette beleggmaterialet godt kunne anvendes i foreliggende oppfinnelse ved tilveiebringelse av et bindende lag av karbonsement mellom beleggmaterialet og katodesubstratet. After carbonization as indicated in Example 9, the carbonized coating showed weakening of bond due to shrinkage of the coating material without any surface defects appearing in the carbonized coating. It is believed that this coating material could well be used in the present invention by providing a binding layer of carbon cement between the coating material and the cathode substrate.

Eksempel 11 Example 11

Et beleggmateriale (CM-87) bestående av 33,6* T1B2, 37,5* Stebbins AR-20-C karbonsementfaststoff og 98,9* Stebbins AR-20-QC blandevæske, ble fremstilt. Stebbins AR-20-QC blandevæsken antas å omfatte en delvis polymerisert furanharpiks slik som en furfurylalkohol-lavharpikspolymer. Furfural og en latent katalysator, slik som ftalsyreanhydrid, antas også å være til stede. Sementfaststoffene i denne karbonsement antas å omfatte et karbonpulver med katalysator, og et anilln-modifikasjonsmiddel. A coating material (CM-87) consisting of 33.6* T1B2, 37.5* Stebbins AR-20-C carbon cement solid and 98.9* Stebbins AR-20-QC mixing fluid was prepared. The Stebbins AR-20-QC mixing fluid is believed to comprise a partially polymerized furan resin such as a furfuryl alcohol low resin polymer. Furfural and a latent catalyst, such as phthalic anhydride, are also believed to be present. The cement solids in this carbon cement are believed to comprise a carbon powder with a catalyst, and an anilln modifier.

Dette beleggmaterialet ble påført på et katodesubstrat, som angitt tidligere, og herdet ved 30°C i 24 timer, oppvarmet til 110"C i 3 timer, og holdt i 24 timer ved 110°C. Beleggmaterialet, som viste dårlig bearbeidbarhet, og var stivt og klebrig forut for påføring på substratet, viste meget liten lateral sprekkdannelse etter herding. Det herdede belegg var hardt uten noen blærer eller store sprekker, hadde god densitet og en meget sterk binding til substratet. Etter karbonisering som angitt i eksempel 9, viste det karboniserte belegg en svak krympesprekking, en svak bindingssvekkelse på grunn av nente krymping, god densitet, men hadde store avskal1ingsområder. This coating material was applied to a cathode substrate, as stated previously, and cured at 30°C for 24 hours, heated to 110°C for 3 hours, and held for 24 hours at 110°C. The coating material, which showed poor workability, and was stiff and tacky prior to application to the substrate, showed very little lateral cracking after curing. The cured coating was hard without any blisters or large cracks, had good density and a very strong bond to the substrate. After carbonization as indicated in Example 9, it showed carbonized coatings a slight shrinkage crack, a slight weakening of the bond due to subsequent shrinkage, good density, but had large areas of peeling.

Eksempel 12 Example 12

Et lignende beleggmateriale (CM-88) ble fremstilt under anvendelse av 38,7* Stebbins AR-25-HT karbonsementfaststoff, 28,3* Stebbins AR-25-HT blandevæske og 33* titandiborid. Denne sement antas å omfatte en modifisert furanharpiks, av furfurylalkohol og en lavharpikspolymer av furfurylalkohol og en latent katalysator. Beleggmaterialet var stivt og klebrig, og viste dårlig bearbeidbarhet. Beleggsubstratet ble herdet som angitt i eksempel 11, hvilket resulterte i et belegg-substrat som viste de samme egenskaper som de til belegget i eksempel 11. Etter karbonisering viste belegget mer krymping enn det i eksempel 11, hvilket forårsaket bindingssvekkelse. Ingen avskalling eller sprekker ble imidlertid påvist i overflatelaget. A similar coating material (CM-88) was prepared using 38.7* Stebbins AR-25-HT carbon cement solid, 28.3* Stebbins AR-25-HT mixing fluid and 33* titanium diboride. This cement is believed to comprise a modified furan resin, of furfuryl alcohol and a low resin polymer of furfuryl alcohol and a latent catalyst. The coating material was stiff and sticky, and showed poor workability. The coating substrate was cured as indicated in Example 11, resulting in a coating substrate exhibiting the same properties as those of the coating in Example 11. After carbonization, the coating showed more shrinkage than that in Example 11, causing bond weakening. However, no peeling or cracks were detected in the surface layer.

Eksempel 13 Example 13

En polyesterharpiks med karbonfyllstoff, markedsført som Atlas CARBO-VITROPLAST karbonsement, ble blandet med 35* T1B2 for dannelse av et beleggmateriale (CM-92). Beleggmaterialet viste god bearbeidbarhet, god fluiditet, var ikke klebrig, og kunne lett spredes på et katodesubstrat som angitt i eksempel 9. Det belagte substratet ble herdet ved oppvarming til 100°C i 1 time, opphold ved 100°C i 3 timer, oppvarming til 165°C i 1 time, oppholdt ved 165°C i 10 timer, oppvarming til 200°C i 1 timer, opphold i Vt time, og luftavkjøling. Det herdede belegg viste utmerket binding til substratet, utmerket densitet, og ingen overflatedefekter. Det belagte substrat ble deretter utsatt for karbonisering, som angitt i eksempel 9. Det karboniserte, belagte substrat viste fullstendig bindingssvekkelse, idet belegget var fullstendig, men hadde omfattende fin porøsitet. Belegget viste ingen overflate-def ekter, men var meget lyst og pulveriserte lett. Det bemerkes at de harpiksholdige bindemiddel som benyttes ved fremstillingen av dette beleggmaterialet viste et forkullingsutbytte på bare 8*, hvilket illustrerer den kritiske betydning av denne parameter. A polyester resin with carbon filler, marketed as Atlas CARBO-VITROPLAST carbon cement, was mixed with 35* T1B2 to form a coating material (CM-92). The coating material showed good workability, good fluidity, was not sticky, and could be easily spread on a cathode substrate as indicated in Example 9. The coated substrate was cured by heating to 100°C for 1 hour, holding at 100°C for 3 hours, heating to 165°C for 1 hour, held at 165°C for 10 hours, heating to 200°C for 1 hour, held for Vt hour, and air cooling. The cured coating showed excellent bond to the substrate, excellent density, and no surface defects. The coated substrate was then subjected to carbonization, as indicated in Example 9. The carbonized coated substrate showed complete bond weakening, the coating being complete but having extensive fine porosity. The coating showed no surface defects, but was very bright and pulverized easily. It is noted that the resinous binders used in the production of this coating material showed a char yield of only 8*, illustrating the critical importance of this parameter.

Eksempel 14 Example 14

Atlas CARBO-ALKOR, en karbonsement basert på furanharpiks med karbonfyllstoff, ble fremstilt i overensstemmelse med produsenten instruksjoner og blandet med tilstrekkelig titandiborid til å omfatte 35* av beleggmaterialet. Dette beleggmaterialet (CM-93) viste god bearbeidbarhet. Etter herding som angitt i eksempel 13, viste belegget god binding gjennom substratet, omfattende overflateavskalling, og rimelig densitet. Etter karbonisering viste belegget svak bindingssvekkelse, mer omfattende avskalling, og store sprekker i overflaten på grunn av krymping. Når beleggmaterialet ble reformulert ved anvendelse av 3,5* såpe som gassfrigjøringsmiddel i stedet for en lik mengde blandevæske, ble et akseptabelt belegg oppnådd. Atlas CARBO-ALKOR, a carbon cement based on furan resin with carbon filler, was prepared in accordance with the manufacturer's instructions and mixed with sufficient titanium diboride to comprise 35* of the coating material. This coating material (CM-93) showed good workability. After curing as indicated in Example 13, the coating showed good bonding through the substrate, extensive surface peeling, and reasonable density. After carbonization, the coating showed slight bond weakening, more extensive peeling, and large cracks in the surface due to shrinkage. When the coating material was reformulated using 3.5* soap as the gas release agent instead of an equal amount of mixing liquid, an acceptable coating was obtained.

Eksempel 15 Example 15

Et beleggmateriale (CM-94) ble fremstilt som angitt i eksempel 13 under anvendelse av Atlas CARBO-KOREZ karbonsement , som antas å være en fenolharpiksbasert sement med karbonfyl1stoff, og med et butylalkohol-oppløsnlngsmiddel. Beleggmaterialet viste meget dårlig bearbeidbarhet, det var meget stivt og vanskelig å spre ut på karbonsubstratet. Etter herding som angitt i eksempel 13, viste beleggmaterialet god binding, god densitet og ingen overflatedefekter. Etter karbonisering ble Imidlertid bindingssvekkelse på grunn av krymping observert. Det antas at anvendelsen av et furfurylalkohol-oppløsningsmiddel i stedet for butylalkohol-blandevæsken i Atlas CARBO-KOREZ-harpiksen ville resulterer i forbedret impregnering av katodesubstratet, og derfor bedre binding. A coating material (CM-94) was prepared as indicated in Example 13 using Atlas CARBO-KOREZ carbon cement, believed to be a phenolic resin based cement with carbon filler, and with a butyl alcohol solvent. The coating material showed very poor processability, it was very stiff and difficult to spread on the carbon substrate. After curing as indicated in Example 13, the coating material showed good bonding, good density and no surface defects. However, after carbonization, bond weakening due to shrinkage was observed. It is believed that the use of a furfuryl alcohol solvent instead of the butyl alcohol mixing fluid in the Atlas CARBO-KOREZ resin would result in improved impregnation of the cathode substrate, and therefore better bonding.

Eksempel 16 Example 16

Et beleggmateriale ble fremstilt under anvendelse av 35* TiB2 og 65* forblandet DYLON karbonsement av kvalitet GC, DYLON karbonsementen antas å omfatte mindre enn 10* pulverformig kulltjærebek, mindre enn 20* fenolharpiks og mindre enn 35* furfurylalkohol. Beleggmaterialet viste meget god bearbeidbarhet, men etter herding som angitt i eksempel 9, ble omfattende sterk sprekkdannelse i belegget og bindingssvekkelse observert. Vesentlig lateral sprekkdannelse og høy porøsitet ble notert. Dette belegg ble ikke ansett som verd karbonisering i lys av dets dårlige tilstand etter herding. Dette beleggmaterialet ble senere reformulert med tilsetning av 3,5* såpe som et gassfrigjøringsmiddel, og ga et utmerket belegg etter herding og karbonisering. Dette illustrerer at valget av ytterligere materialer for beleggmaterialet er avgjørende, og feilen i et beleggmateriale på grunn av mangel på porøsitet ved hjelp av hvilken flyktige stoffer kan unnslippe. A coating material was prepared using 35* TiB2 and 65* premixed DYLON carbon cement grade GC, the DYLON carbon cement is believed to comprise less than 10* pulverulent coal tar pitch, less than 20* phenolic resin and less than 35* furfuryl alcohol. The coating material showed very good workability, but after curing as indicated in example 9, extensive severe cracking in the coating and bond weakening was observed. Significant lateral cracking and high porosity were noted. This coating was not considered worthy of carbonization in view of its poor condition after curing. This coating material was later reformulated with the addition of 3.5* soap as a gas release agent, and produced an excellent coating after curing and carbonization. This illustrates that the choice of additional materials for the coating material is crucial, and the failure of a coating material due to a lack of porosity through which volatile substances can escape.

Eksempel 17 Example 17

Et beleggmateriale ble fremstilt under anvendelse av 45* T1B2 og 55* forblandet Aremco GRAPHI-BOND® 551-R karbonsement. Denne karbonsement antas å omfatte 60* grafitt og 40* furfurylalkohol, og er spesielt formulert for anvendelse i reduserende atmosfærer. Beleggmaterialet var glatt og relativt lett å påføre på katodesubstratet. Beleggsubstratet ble deretter herdet som angitt i eksempel 9, og dette resulterte i god binding, rimelig densitet med vertikal sprekkdannelse nær kantene og omfattende fin horisontal sprekkdannelse. Etter karbonisering oppstod bindingssvekkelse nær kantene på grunn av krymping, men belegget viste rimelig densitet, med noen store, vertikale sprekker og noen fine, horisontale sprekker. Det antas at tilsetningen av gass-frigjøringsmiddel og karbonholdig additiv ville overkomme slike problemer. A coating material was prepared using 45* T1B2 and 55* premixed Aremco GRAPHI-BOND® 551-R carbon cement. This carbon cement is believed to comprise 60* graphite and 40* furfuryl alcohol, and is specially formulated for use in reducing atmospheres. The coating material was smooth and relatively easy to apply to the cathode substrate. The coating substrate was then cured as indicated in Example 9, and this resulted in good bonding, reasonable density with vertical cracking near the edges and extensive fine horizontal cracking. After carbonization, bond weakening occurred near the edges due to shrinkage, but the coating showed reasonable density, with some large vertical cracks and some fine horizontal cracks. It is believed that the addition of gas release agent and carbonaceous additive would overcome such problems.

Eksempel 18 Example 18

Et beleggmateriale som angitt i eksempel 17 ble fremstilt under anvendelse av Aremco GRAPH-BOND® Grade 551-R, som antas å omfatte 32* grafitt og 68* aluminiumnatriumsilikat. Beleggmaterialet var meget flytende og lot seg helle i stedet for å utspredes. Det belagte substratet ble herdet som i eksempel 9, men en stor blære utviklet seg i belegget etter 4 timer ved 100"C. En god binding ble dannet, skjønt belegget var meget porøst. Etter karbonisering viste belegget seg å være synlig uendret, men det hadde blitt mer sprøtt og smuldrende, og en svak bindingssvekkelse var åpenbar nær kantene. Dette eksempel illustrerer et beleggmateriale som er uegnet i foreliggende oppfinnelse. A coating material as set forth in Example 17 was prepared using Aremco GRAPH-BOND® Grade 551-R, which is believed to comprise 32* graphite and 68* aluminum sodium silicate. The coating material was very liquid and allowed itself to be poured instead of spread. The coated substrate was cured as in Example 9, but a large blister developed in the coating after 4 hours at 100°C. A good bond was formed, although the coating was very porous. After carbonization, the coating was found to be visibly unchanged, but the had become more brittle and crumbly, and a slight weakening of the bond was evident near the edges.This example illustrates a coating material unsuitable for the present invention.

Eksempel 19 Example 19

Et ytterligere beleggmateriale ble fremstilt under anvendelse av 45* T1B2 og forblandet Great Lakes Carbon Grad P-514 karbonsement som antas å være basert på grafittpartikler og et bindemiddel. Beleggmaterialet var lett bearbeidbart og lot seg lett glatte ut på et katodesubstrat. Etter herding, som angitt i eksempel 9, oppsto sterk porøsitet og avskalling etter 4 timer ved 100°C. En god binding ble dannet, med god densitet i områder mellom hull. Belegget var skinnende med et glassaktig utseende i porene og under de avskallede områdene. Etter karbonisering viste beleggsubstratet seg å være uendret med unntagelse av at store vertikale sprekker hadde utviklet seg og en svak bindingssvekkelse hadde oppstått langs kantene. Når beleggmaterialet ble reformulert ved anvendelse av 3,5* såpe som gassf rigjøringsmiddel i stedet for en lik mengde blandevæske, ble et akseptabelt belegg oppnådd. An additional coating material was prepared using 45* T1B2 and premixed Great Lakes Carbon Grade P-514 carbon cement believed to be based on graphite particles and a binder. The coating material was easy to process and was easily smoothed onto a cathode substrate. After curing, as indicated in Example 9, strong porosity and scaling occurred after 4 hours at 100°C. A good bond was formed, with good density in areas between holes. The coating was shiny with a glassy appearance in the pores and under the peeling areas. After carbonization, the coating substrate was found to be unchanged except that large vertical cracks had developed and a slight bond weakening had occurred along the edges. When the coating material was reformulated using 3.5* soap as a gas release agent instead of an equal amount of mixing liquid, an acceptable coating was obtained.

Eksempel 20 Example 20

En vanskelig bearbeidbar (usmeltelig) polyfenylenpolymer fremstilles ved polymerisasjon av 1,3-cykloheksadien med Ziegler-Natta-katalysatorer fulgt av halogenering og dehydrohalogenering. Dette gir en para-fenylenpolymer med molekylvekt på ca. 4000. Denne harpiks er alene uegnet for bruk i foreliggende oppfinnelse på grunn av den relativt lave molekylvekten og relative uoppløselighet. A difficult-to-process (infusible) polyphenylene polymer is produced by polymerization of 1,3-cyclohexadiene with Ziegler-Natta catalysts followed by halogenation and dehydrohalogenation. This gives a para-phenylene polymer with a molecular weight of approx. 4000. This resin alone is unsuitable for use in the present invention due to its relatively low molecular weight and relative insolubility.

En smeltbar polyfenylenharpiks (oppløselig, f.eks. i triklorbenzen) fremstilles ved kationisk oksydativ polymerisasjon av 1,3,5-difenylbenzen. Reaksjonsproduktet inneholder vanskelig bearbeidbart polyfenylen-biprodukt som fjernes ved fraksjonert destillasjon. Den destillerte smeltbare polyfenylen har en molekylvekt mellom 1000 og 1500. A fusible polyphenylene resin (soluble, e.g. in trichlorobenzene) is prepared by cationic oxidative polymerization of 1,3,5-diphenylbenzene. The reaction product contains difficult-to-process polyphenylene by-product which is removed by fractional distillation. The distilled fusible polyphenyl has a molecular weight between 1000 and 1500.

Et beleggmateriale fremstilles under anvendelse av disse to harpikser som følger. De to harpiksene males separat til mindre enn 325 mesh (0,043 mm) og blandes deretter grundig i 15 minutter i en høyhastighetblander, i forholdet 1,6* A coating material is prepared using these two resins as follows. The two resins are ground separately to less than 325 mesh (0.043 mm) and then thoroughly mixed for 15 minutes in a high-speed mixer, at a ratio of 1.6*

(beregnet på vekt av beleggmaterialet) av vanskelig bearbeidbar polyfenylen til 3,3* smeltbar polyfenylen. Til denne blanding tilsettes 16,3* grafittmel (UCAR® GP 38 P) og 8,2* REGAL® 400 pellets (kjønrøk fra Cabot Corporation). (calculated on the weight of the coating material) of difficult-to-process polyphenylene to 3.3* fusible polyphenylene. 16.3* graphite flour (UCAR® GP 38 P) and 8.2* REGAL® 400 pellets (carbon black from Cabot Corporation) are added to this mixture.

En blandevæske fremstilles inneholdende 1,6* trietanolamin (TEA)-oleat og 11,4* kloroform. TEA-oleatet oppvarmes først til en flytende tilstand ved oppvarming til 100°C og helles deretter i kloroformen. A mixing liquid is prepared containing 1.6* triethanolamine (TEA) oleate and 11.4* chloroform. The TEA oleate is first heated to a liquid state by heating to 100°C and then poured into the chloroform.

Til de tørre komponentene (omfattende polyfenylenharpiks-pulvere, grafittpulvere og kjønrøk) tilsettes nå 47,3* Carborundum mindre enn 325 mesh (0,043 mm) T1B2, 9,8* Union Carbide UCAR® BB-6 grafittaggregat og 0,5* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 0,32 cm limt fiber. Bestanddelene tørrblandes og blandevæsken tilsettes inntil en jevn dispersjon av bestanddelene observeres. To the dry components (including polyphenylene resin powders, graphite powders and carbon black) are now added 47.3* Carborundum less than 325 mesh (0.043 mm) T1B2, 9.8* Union Carbide UCAR® BB-6 graphite aggregate and 0.5* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 0.32 cm glued fiber. The components are dry mixed and the mixing liquid is added until a uniform dispersion of the components is observed.

Beleggmaterialet spredes på en katodeblokk på vanlig måte for dannelse av et 0,95 cm tykt lag. Denne blokk hensettes deretter 1 luft i 1 time for at noe av oppløsningsmidlet skal få fordampe. Herding oppnås ved langsom oppvarming av den belagte blokk til 70"C for å flyktiggjøre mesteparten av blandevæsken, fulgt av langsom oppvarming til 80°C og holding ved denne temperatur i 2 timer. Igjen beves temperaturen langsomt til 200°C og holdes i 8 timer. Blokken avkjøles deretter til romtemperatur. The coating material is spread on a cathode block in the usual manner to form a 0.95 cm thick layer. This block is then exposed to air for 1 hour to allow some of the solvent to evaporate. Curing is achieved by slowly heating the coated block to 70°C to volatilize most of the mixing liquid, followed by slowly heating to 80°C and holding at this temperature for 2 hours. Again the temperature is slowly raised to 200°C and held for 8 hours The block is then cooled to room temperature.

En delvis karbonisering foretas deretter ved oppvarming i 9 timer ved 135°C, fulgt av 24 timers langsom temperatur-forhøyelse til 300°C og holding ved 300"C i 6 timer. Et tilfredsstillende belegg oppnås. A partial carbonization is then carried out by heating for 9 hours at 135°C, followed by 24 hours of slow temperature increase to 300°C and holding at 300°C for 6 hours. A satisfactory coating is obtained.

Eksempel 21 Example 21

Et beleggmateriale (CM-91) bestående av 44,9* T1B2 (mindre enn 325 mesh (0,043 mm) Carborundum), 28* UCAR® C-34 karbonsementfaststoff, 14,7* UCAR® C-34 blandevæske, 12* UCAR® BB-6 grafitt og 0,4* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3 0,32 cm limt fiber, ble fremstilt. A coating material (CM-91) consisting of 44.9* T1B2 (less than 325 mesh (0.043 mm) Carborundum), 28* UCAR® C-34 carbon cement solid, 14.7* UCAR® C-34 mixing fluid, 12* UCAR® BB-6 graphite and 0.4* Great Lakes Carbon FORTAFIL® 3 0.32 cm bonded fiber were prepared.

Dette materialet var vanskelig å blande på grunn av høyt fiberinnhold. TIB2-dispersjon var dårlig og materialet trengte blanding på nytt halvveis gjennom beleggings-operasjonen. This material was difficult to mix due to its high fiber content. TIB2 dispersion was poor and the material required re-mixing halfway through the coating operation.

Dette materialet ble belagt på en katodeblokk i full størrelse, forvarmet natten over til 50°C. Materialet var vanskelig å utsprede inntil den var oppvarmet av den varme b1okken. This material was coated onto a full size cathode block, preheated overnight to 50°C. The material was difficult to spread until it was heated by the hot block.

Belegget ble utplanet til en tykkelse på 1,27 cm, halv-utglattet og herdet på samme måte som angitt i eksempel 9. Ingen defekter ble notert etter avkjøling. The coating was flattened to a thickness of 1.27 cm, semi-smoothed and cured in the same manner as indicated in Example 9. No defects were noted after cooling.

Belegget ble deretter karbonisert, hvilket ga et tilfredsstillende bundet belegg med en akseptabel overflate. The coating was then carbonized, which produced a satisfactorily bonded coating with an acceptable surface.

Claims (28)

1. Celle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium, som har en katode omfattende et katodesubstrat med et aluminiumfuktbart overflatelag bundet dertil, hvor laget omfatter ildfast, hardt materiale og karbon, karakterisert ved at nevnte lag innbefatter ildfast, hardt materiale i en ikke-grafittiserbar karbonmatrise som har en ablasjonshastighet under operasjon av cellen som er vesentlig lik den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet, hvor nevnte overflatelag er oppnådd ved herding og karbonisering av et beleggmateriale omfattende: 10-90 vekt-* ildfast, hardt materiale; 0,5-40 vekt-* termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiksen omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra en fenolharpiks, en furanharpiks-forløper eller en blanding derav; 2-40 vekt-* blandevæske; 1-60 vekt-* partikkelformig karbonholdig fyllstoff med en partikkel-størrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-* karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale som har en partikkelstørrelse som er større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdlg bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte på over 25* og hvor det herdede og karboniserte belegget utviser en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg med mindre enn 0,2 fra den prosentvise ekspansjon som utvises av nevnte katodesubstrat.1. Cell for the electrolytic reduction of alumina to aluminium, which has a cathode comprising a cathode substrate with an aluminum wettable surface layer bonded thereto, the layer comprising refractory, hard material and carbon, characterized in that said layer comprises refractory, hard material in a non-graphitizable carbon matrix which has an ablation rate during operation of the cell that is substantially equal to the combined rate of wear and dissolution of the refractory hard material, wherein said surface layer is obtained by curing and carbonizing a coating material comprising: 10-90 weight-* refractory hard material; 0.5-40 wt-* thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin different from a phenolic resin, a furan resin precursor or a mixture thereof; 2-40 weight-* mixing liquid; 1-60 wt* particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 weight* of carbonaceous additive in the form of particulate material having a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers, wherein the thermosetting resin forms a resinous binder system having a char yield greater than 25* and wherein the hardened and carbonized coating shows a percentage expansion between 800 and 1000°C which differs by less than 0.2 from the percentage expansion shown by said cathode substrate. 2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at det ildfaste harde materialet omfatter titandiborid.2. Cell according to claim 1, characterized in that the refractory hard material comprises titanium diboride. 3. Celle ifølge krav 2, karakterisert ved at den termoherdende harpiksen innbefatter en eller flere fenolharpikser, furanharpiks-forløpere eller blandinger derav.3. Cell according to claim 2, characterized in that the thermosetting resin includes one or more phenol resins, furan resin precursors or mixtures thereof. 4. Celle ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som viser et forkullingsutbytte på over 50*.4. Cell according to any one of claims 1-3, characterized in that the thermosetting resin forms a resinous binder system showing a charring yield of over 50*. 5. Beleggmateriale omfattende ildfast, hardt materiale og karbon, karakterisert ved at det er sammensatt av 10-90 vekt-* ildfast, hardt materiale; et termoherdende bindemiddelsystem omfattende 0,5-40 vekt-* ikke-grafittiserende termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiks omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra fenolharpikser, furanharpiks-forløpere eller blandinger derav; 2-40 vekt-* blandevæske; 1-60 vekt-* partikkelformig, karbonholdig fyllstoff med en partikkelstørrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-* karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale som har en partikkelstør-relse som er større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer; idet bindemiddelsystemet, det karbonholdige fyllstoffet og det karbonholdige additivet viser en ablasjonshastighet etter herding og karbonisering som er vesentlig lik den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet i miljøet for en aluminiumreduksjonscelle under operasjon derav, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkull ingsutbytte på over 25* og hvor det herdede og karboniserte materiale utviser en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg med mindre enn 0,2 fra den prosentvise ekspansjon til katodesubstratet i aluminiumreduksjonscellen.5. Coating material comprising refractory, hard material and carbon, characterized in that it is composed of 10-90 weight-* refractory, hard material; a thermosetting binder system comprising 0.5-40 wt* non-graphitizing thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin different from phenolic resins, furan resin precursors or mixtures thereof; 2-40 weight-* mixing liquid; 1-60 wt-* particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 weight* carbonaceous additive in the form of particulate material having a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers; wherein the binder system, the carbonaceous filler, and the carbonaceous additive exhibit an ablation rate after curing and carbonization that is substantially equal to the combined rate of wear and dissolution of the refractory hard material in the environment of an aluminum reduction cell during operation thereof, wherein the thermosetting resin forms a resinous binder system which has a charring yield of more than 25* and where the hardened and carbonized material exhibits a percentage expansion between 800 and 1000°C that differs by less than 0.2 from the percentage expansion of the cathode substrate in the aluminum reduction cell. 6. Beleggmateriale ifølge krav 5, karakterisert ved at det ildfaste, harde materialet er titandiborid.6. Coating material according to claim 5, characterized in that the refractory, hard material is titanium diboride. 7. Beleggmateriale ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at bindemiddelsystemet omfatter et harpiksholdig bindemiddel valgt fra polyfenylen-, heterocykliske, epoksy-, silikon-, alkyd- og polyimidharplkser, og blandinger derav, og ved at det ildfaste, harde materialet er valgt fra enkeltkrystall-, bikrystall- og åpne klaser av enkeltkrystall-titandiborid.7. Coating material according to claim 5 or 6, characterized in that the binder system comprises a resinous binder selected from polyphenylene, heterocyclic, epoxy, silicone, alkyd and polyimide resins, and mixtures thereof, and in that the refractory, hard material is selected from single crystal , bicrystal and open clusters of single crystal titanium diboride. 8. Beleggmateriale ifølge hvilket som helst av kravene 5-7, karakterisert ved at den termoherdende harpiksen innbefatter en eller flere fenolharpikser, furanharpiks-forløpere eller blandinger derav.8. Coating material according to any one of claims 5-7, characterized in that the thermosetting resin includes one or more phenolic resins, furan resin precursors or mixtures thereof. 9. Beleggmateriale ifølge hvilket som helst av kravene 5-8, karakterisert ved at det karbonholdige fyllstoffet har et C:H-forhold større enn 2:1.9. Coating material according to any one of claims 5-8, characterized in that the carbonaceous filler has a C:H ratio greater than 2:1. 10. Beleggmateriale ifølge hvilke som helst av kravene 5-9, karakterisert ved at det karbonholdige additivet er valgt fra karbonaggregat som har en partikkel-størrelse fra 4 mesh (4,699 mm) til 100 mesh (0,147 mm) karbonfiber, og blandinger derav, og omfatter 5-15* av beleggmaterialet.10. Coating material according to any one of claims 5-9, characterized in that the carbonaceous additive is selected from carbon aggregates having a particle size of from 4 mesh (4.699 mm) to 100 mesh (0.147 mm) carbon fiber, and mixtures thereof, and comprises 5 -15* of the coating material. 11. Beleggmateriale ifølge hvilke som helst av kravene 5-10, karakterisert ved at det viser en total kontraksjon på mindre enn 1,0* ved cykling fra 20'C til 100°C til 20°C.11. Coating material according to any one of claims 5-10, characterized in that it shows a total contraction of less than 1.0* when cycling from 20°C to 100°C to 20°C. 12. Aluminiumfuktbar katode for en aluminiumreduksjonscelle omfattende et katodesubstrat som har et overflatelag inneholdende ildfast, hardt materiale og karbon, karakterisert ved at overflatelaget er en herdet og karbonisert sammensetning innbefattende 10-90 vekt-* ildfast, hardt materiale; termoherdende harpiksholdig bindemiddel omfattende 0,5-40 vekt-* ikke-grafittiserende termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiksen omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra en fenolharpiks, en furanharpiks-forløper eller en blanding derav; 2-40 vekt-* blandevæske; 1-60 vekt-* partikkelformig karbonholdig fyllstoff som har en partikkelstørrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-* karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale som har en partikkelstørrelse større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte over 25* og hvor overflatelaget har en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000<*>C som adskiller seg fra den prosentvise ekspansjon av katodesubstratet med mindre enn 0,2*.12. Aluminum wettable cathode for an aluminum reduction cell comprising a cathode substrate having a surface layer containing refractory, hard material and carbon, characterized in that the surface layer is a hardened and carbonized composition including 10-90 weight-* refractory, hard material; thermosetting resinous binder comprising 0.5-40 wt* non-graphitizing thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin other than a phenolic resin, a furan resin precursor or a mixture thereof; 2-40 weight-* mixing liquid; 1-60 wt-* particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 weight* carbonaceous additive in the form of particulate material having a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers, wherein the thermosetting resin forms a resinous binder system having a char yield greater than 25* and wherein the surface layer has a percentage expansion between 800 and 1000<*>C which differs from the percentage expansion of the cathode substrate by less than 0.2*. 13. Aluminiumfuktbar katode ifølge krav 12, karakterisert ved at den termoherdende harpiksen innbefatter en eller flere fenolharpikser, furanharpiks-forløpere eller blandinger derav.13. Aluminum wettable cathode according to claim 12, characterized in that the thermosetting resin includes one or more phenol resins, furan resin precursors or mixtures thereof. 14. Aluminiumfuktbar katode ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at det ildfaste, harde materialet er titandiborid.14. Aluminum wettable cathode according to claim 12 or 13, characterized in that the refractory, hard material is titanium diboride. 15. Aluminiumfuktbar katode ifølge hvilke som helst av kravene 12-14, karakterisert ved at katodeoverf låtene er skråstilt i forhold til horisontalplanet.15. Aluminum wettable cathode according to any one of claims 12-14, characterized in that the cathode surfaces are inclined relative to the horizontal plane. 16. Aluminiumfuktbar katode ifølge hvilke som helst av kravene 12-15, karakterisert ved at karbonet i overflatelaget har en ablasjonshastighet som er vesentlig lik hastigheten for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet i operasjonsmiljøet for en aluminiumreduksjonscelle.16. Aluminum wettable cathode according to any one of claims 12-15, characterized in that the carbon in the surface layer has an ablation rate which is substantially equal to the rate of wear and dissolution of the refractory, hard material in the operating environment of an aluminum reduction cell. 17. Fremgangsmåte for fremstilling av et ildfast, hardt materiale og karbon-aluminium-fuktbar katodeoverflate for en aluminiumreduksjonscelle, karakterisert ved at det på et katodesubstrat påføres et beleggmateriale innbefattende: 10-90 vekt-* ildfast, hardt materiale, 0,5-40 vekt-* ikke-grafittiserende termoherdende harpiks, hvor den termoherdende harpiksen omfatter minst en harpiks som er forskjellig fra en f enolharpiks, en furanharpiks-forløper eller en blanding derav; 2-40 vekt-* blandevæske; 1-60 vekt-* partikkelformig karbonholdig fyllstoff som har en partikkel-størrelse mindre enn 100 mesh (0,147 mm); og opptil 70 vekt-* karbonholdig additiv i form av partikkelformig materiale med en partikkelstørrelse større enn 100 mesh (0,147 mm) og/eller karbonfibrer; beleggmaterialet herdes til dannelse av et relativt hardt, adherende overflatelag, og dette laget karboniseres til dannelse av et adherende aluminiumfuktbart overflatelag omfattende ildfast hardt materiale i en ikke-graf ittiserbar karbonmatrise, hvor nevnte overflatelag har en prosentvis ekspansjon mellom 800 og 1000°C som adskiller seg fra den prosentvise ekspansjon av katodesubstratet med mindre enn 0,2, hvor den termoherdende harpiksen danner et harpiksholdig bindemiddelsystem som har et forkullingsutbytte på over 25*.17. Process for producing a refractory, hard material and carbon-aluminum wettable cathode surface for an aluminum reduction cell, characterized in that a coating material is applied to a cathode substrate comprising: 10-90 weight-* refractory, hard material, 0.5-40 weight- * non-graphitizing thermosetting resin, wherein the thermosetting resin comprises at least one resin different from a phenol resin, a furan resin precursor or a mixture thereof; 2-40 weight-* mixing liquid; 1-60 wt* particulate carbonaceous filler having a particle size less than 100 mesh (0.147 mm); and up to 70 wt* of carbonaceous additive in the form of particulate matter with a particle size greater than 100 mesh (0.147 mm) and/or carbon fibers; the coating material is hardened to form a relatively hard, adherent surface layer, and this layer is carbonized to form an adherent aluminum wettable surface layer comprising refractory hard material in a non-graphitizable carbon matrix, said surface layer having a percentage expansion between 800 and 1000°C which separates differs from the percentage expansion of the cathode substrate by less than 0.2, where the thermosetting resin forms a resinous binder system having a char yield of over 25*. 18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at det som ildfast, hardt materiale anvendes titandiborid.18. Method according to claim 17, characterized in that titanium diboride is used as refractory, hard material. 19. Fremgangsmåte ifølge krav 17 eller 18, karakterisert ved at den termoherdende harpiksen velges fra polyfenylen-, heterocykliske-, epoksy-, silikon-, alkyd- og polyimidharplkser, og blandinger derav.19. Method according to claim 17 or 18, characterized in that the thermosetting resin is selected from polyphenylene, heterocyclic, epoxy, silicone, alkyd and polyimide resins, and mixtures thereof. 20. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-19, karakterisert ved at det anvendes en termoherdende harpiks som innbefatter en eller flere fenolharpikser, furanharpiks-forløpere, eller blandinger derav.20. Method according to any one of claims 17-19, characterized in that a thermosetting resin is used which includes one or more phenol resins, furan resin precursors, or mixtures thereof. 21. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-20, karakterisert ved at det anvendes en karbonholdig blanding i det karboniserte overflatelaget som har en ablasjonshastighet som er vesentlig lik den kombinerte hastighet for slitasje og oppløsning av det ildfaste, harde materialet i miljøet for aluminiumreduksjonscellen under operasjon derav.21. Method according to any one of claims 17-20, characterized in that a carbonaceous mixture is used in the carbonized surface layer which has an ablation rate substantially equal to the combined rate of wear and dissolution of the refractory, hard material in the environment of the aluminum reduction cell during operation hence. 22. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-21, karakterisert ved at beleggblandingen påføres på karbonkatodeblokker utenfor cellen, og herdes før anbringelse i cellen.22. Method according to any one of claims 17-21, characterized in that the coating mixture is applied to carbon cathode blocks outside the cell, and is cured before placement in the cell. 23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at beleggmaterialet karboniseres før anbringelse i cellen.23. Method according to claim 22, characterized in that the coating material is carbonized before placement in the cell. 24. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at beleggmaterialet karboniseres i cellen.24. Method according to claim 22, characterized in that the coating material is carbonized in the cell. 25. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-21, karakterisert ved at beleggmaterialet påføres på karbonkatodeblokker utenfor cellen, og deretter herdes og karboniseres i cellen.25. Method according to any one of claims 17-21, characterized in that the coating material is applied to carbon cathode blocks outside the cell, and then hardened and carbonized in the cell. 26. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-21, karakterisert ved at beleggmaterialet påføres på katodesubstrat i cellen, og deretter herdes og karboniseres.26. Method according to any one of claims 17-21, characterized in that the coating material is applied to the cathode substrate in the cell, and then hardened and carbonized. 27. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 17-26, karakterisert ved at beleggmaterialet påføres i flere lag.27. Method according to any one of claims 17-26, characterized in that the coating material is applied in several layers. 28. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at innholdet av ildfast, hardt materiale endres i suksessive lag.28. Method according to claim 27, characterized in that the content of refractory, hard material changes in successive layers.
NO841015A 1982-07-22 1984-03-15 CELL FOR ELECTROLYTIC REDUCTION OF ALUMINUM OXYDE, COATING MATERIAL AND CATHOD FOR SUCH CELL AND METHOD OF PRODUCING CATODE SURFACE MATERIAL NO172451C (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/400,773 US4466996A (en) 1982-07-22 1982-07-22 Aluminum cell cathode coating method
US06/400,772 US4526911A (en) 1982-07-22 1982-07-22 Aluminum cell cathode coating composition
US06/400,762 US4544469A (en) 1982-07-22 1982-07-22 Aluminum cell having aluminum wettable cathode surface
PCT/US1983/001095 WO1984000566A1 (en) 1982-07-22 1983-07-20 Improved cell for electrolytic production of aluminum

Publications (3)

Publication Number Publication Date
NO841015L NO841015L (en) 1984-03-15
NO172451B true NO172451B (en) 1993-04-13
NO172451C NO172451C (en) 1993-07-21

Family

ID=27491763

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO841015A NO172451C (en) 1982-07-22 1984-03-15 CELL FOR ELECTROLYTIC REDUCTION OF ALUMINUM OXYDE, COATING MATERIAL AND CATHOD FOR SUCH CELL AND METHOD OF PRODUCING CATODE SURFACE MATERIAL

Country Status (1)

Country Link
NO (1) NO172451C (en)

Also Published As

Publication number Publication date
NO172451C (en) 1993-07-21
NO841015L (en) 1984-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4466996A (en) Aluminum cell cathode coating method
US4624766A (en) Aluminum wettable cathode material for use in aluminum reduction cell
US4582553A (en) Process for manufacture of refractory hard metal containing plates for aluminum cell cathodes
US4544469A (en) Aluminum cell having aluminum wettable cathode surface
AU569488B2 (en) Refractory hard metal containing tiles for aluminum cell cathodes
US4466995A (en) Control of ledge formation in aluminum cell operation
US4526911A (en) Aluminum cell cathode coating composition
EP0102186B1 (en) Improved cell for electrolytic production of aluminum
AU571186B2 (en) Improved cell for the electrolytic production of aluminum
EP0083654B1 (en) Refractory hard material-carbon fiber cathode coatings for aluminum reduction cells
NO172451B (en) CELL FOR ELECTROLYTIC REDUCTION OF ALUMINUM OXYDE, COATING MATERIAL AND CATHOD FOR SUCH CELL AND METHOD OF PRODUCING CATODE SURFACE MATERIAL
NO172452B (en) SPACE BLOCK TEMPERATURE CEMENT
WO1984000565A1 (en) Aluminum cathode coating cure cycle
NO169727B (en) ILLUSTRATED HARD CATADE COVER OF CARBON FIBER FOR ALUMINUM REDUCTION CELLS
JPS61501457A (en) Heat-resistant hard metal-containing plate for aluminum electrolytic tank cathode
NO162731B (en) PROCEDURE FOR THE PREPARATION OF AN ALUMINUM WETABLE CATODE SURFACE.
NO853813L (en) ANTI-FAST H ALUMINUM CELLS.
NO172654B (en) PROCEDURE FOR MANUFACTURING AN ALUMINUM MOISTURIZED ELEMENT, SPECIFICALLY AN ALUMINUM REDUCTION CELL CATODE SURFACE
NO319014B1 (en) Process for the preparation of a carbonaceous material, mixture for use in the process, article prepared therewith and binder system

Legal Events

Date Code Title Description
MK1K Patent expired

Free format text: EXPIRED IN JULY 2003