NO172947B

NO172947B - ANODE HANGERS FOR CARBON-CONTAINING ANODE IN CELLS FOR ELECTROLYTIC ALUMINUM PRODUCTION

Info

Publication number: NO172947B
Application number: NO892247A
Authority: NO
Inventors: Paul Adrian Schneider
Original assignee: Paul Adrian Schneider
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1993-06-21
Also published as: NO892247L; NO172947C; NO892247D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører anodehengere for fastholdelse av karbonholdige anoder i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroultprosessen, som angitt i ingressen til foreliggende søknad. The present invention relates to anode hangers for retaining carbon-containing anodes in cells for the production of aluminum by melt electrolysis according to the Hall-Heroult process, as stated in the preamble to the present application.

Aluminium fremstilles i det vesentlige ved elektrolyse av aluminium-oksyd oppløst i et kryolittholdig bad. Elektrolyseovnene som tillater dette, består av en karbonkatode anbragt i en stålbeholder som innvendig er isolert med ildfaste, isolerende produkter. Over karbon-katoden er det anordnet en karbonanode eller et antall karbonanoder som er nedsenket i det kryolittholdige bad som gradvis oksyderes av oksygen som stammer fra dekomponeringen av aluminiumoksyd. Aluminum is essentially produced by electrolysis of aluminum oxide dissolved in a bath containing cryolite. The electrolysis furnaces that allow this consist of a carbon cathode placed in a steel container that is internally insulated with refractory, insulating products. Above the carbon cathode is arranged a carbon anode or a number of carbon anodes which are immersed in the cryolite-containing bath which is gradually oxidized by oxygen originating from the decomposition of aluminum oxide.

Strøm føres gjennom cellene fra topp til bunn. Kryolitten holdes i flytende tilstand ved hjelp av Joule-effekten ved en temperatur nær størkningstemperaturen. De vanlige temperaturer for drift av disse celler er mellom 930 og 980°C. Det aluminium som fremstilles, er derfor flytende og avsettes ved gravitet på den tette katode. Aluminium som fremstilles, eller en del av det fremstilte aluminium, blir regelmessig suget av. Brukte anoder erstattes av nye. Current is passed through the cells from top to bottom. The cryolite is kept in a liquid state by means of the Joule effect at a temperature close to the solidification temperature. The usual temperatures for operating these cells are between 930 and 980°C. The aluminum that is produced is therefore liquid and is deposited by gravity on the dense cathode. Aluminum that is produced, or part of the aluminum produced, is regularly sucked off. Used anodes are replaced by new ones.

Strømstyrken for disse elektrolyseovner er mellom 100.000 og 300.000 ampere i dag. Strømforbindelser og fordelingsskinner fremstilles derfor av industrielle metaller med høy elektrisk konduktivitet, dvs. vanligvis rent eller legert kobber og aluminium. For enkelhets skyld omtales metaller med høy elektrisk konduktivitet (aluminium, kobber The amperage for these electrolysis furnaces is between 100,000 and 300,000 amperes today. Power connections and distribution rails are therefore manufactured from industrial metals with high electrical conductivity, i.e. usually pure or alloyed copper and aluminium. For the sake of simplicity, metals with high electrical conductivity (aluminium, copper

etc.) i det etterfølgende som "metall", mens jern- og stållegeringer omtales som "stål". etc.) hereinafter as "metal", while iron and steel alloys are referred to as "steel".

De karbonholdige deler av elektrolyseapparaturene befinner seg ved temperaturer nær temperaturen til det kryolittholdige bad. Forbindelsen til anoden eller til katoden fra de strømførende ledere er derfor nødvendigvis fremstilt ved hjelp av en mellomliggende del som er motstandsdyktig overfor disse høye temperaturer. Denne mellomliggende del fremstilles vanligvis av stål. The carbon-containing parts of the electrolysis equipment are at temperatures close to the temperature of the cryolite-containing bath. The connection to the anode or to the cathode from the current-carrying conductors is therefore necessarily made by means of an intermediate part which is resistant to these high temperatures. This intermediate part is usually made of steel.

Som forbindelse mellom den strømførende lederen (anoderammen) og anoden tjener anodehengeren. I anodehengeren utgjør ståldelen vanligvis bare den nedre del av denne, mens den øvre del av anodehengeren (anodestangen) utgjøres av metall. At ikke hele anodehengeren er laget av stål, beror på stålets dårlige egenskaper som strømleder. The anode hanger serves as a connection between the current-carrying conductor (anode frame) and the anode. In the anode hanger, the steel part usually only makes up the lower part of it, while the upper part of the anode hanger (anode rod) is made of metal. The fact that the entire anode hanger is not made of steel is due to steel's poor properties as a current conductor.

Det er ønskelig at strømveien i stålet mellom metalldelen og anoden er kortest mulig for å oppnå lavest mulig ohmsk motstand. Imidlertid må det samtidig anvendes så mye stål at temperaturen i metalldelen av anodehengeren ikke blir for høy slik at metallet smelter eller løsner fra ståldelen. It is desirable that the current path in the steel between the metal part and the anode is as short as possible to achieve the lowest possible ohmic resistance. However, at the same time, so much steel must be used that the temperature in the metal part of the anode hanger does not become too high so that the metal melts or detaches from the steel part.

Som forbindelsesmetode mellom ståldelen og anoden blir det benyttet støpejern, karbon, karbonholdig pasta eller en tørrpakning. Disse elementer blir enten støpt eller stampet på plass mellom ståldel og anoden. As a connection method between the steel part and the anode, cast iron, carbon, carbonaceous paste or a dry gasket is used. These elements are either cast or stamped into place between the steel part and the anode.

Dagens stål-/metallforbindelser i anodehengerne er lite holdbare overfor mekaniske og termiske påkjenninger og krever derfor jevnlig kontroll, med sikte på å avsløre eventuelle defekter. Today's steel/metal connections in the anode hangers are not very durable against mechanical and thermal stresses and therefore require regular checks, with the aim of revealing any defects.

I tillegg er den elektriske ledningsevnen til stål-/metallforbindelser dårlig (høy motstand), noe som også medvirker til å redusere levetiden for dagens anodehengere. In addition, the electrical conductivity of steel/metal connections is poor (high resistance), which also contributes to reducing the lifetime of today's anode hangers.

Ståldelen i hengeren er vanligvis relativt solid og stiv. Temperaturforskjeller og forskjeller i varmeutvidelseskoeffisientene for ståldelene og anoden kan forårsake store spenninger mellom disse. Spenningspåkjenningene fører videre til fare for sprekk-dannelse på anoden eller deformering av ståldelen. The steel part of the hanger is usually relatively solid and rigid. Temperature differences and differences in the thermal expansion coefficients of the steel parts and the anode can cause large stresses between them. The voltage stresses further lead to the risk of cracks forming on the anode or deformation of the steel part.

Påkjenningene vil også påvirke strømovergangen mellom ståldelen og anoden siden kontaktflaten og kontakttrykket vil endres i løpet av levetiden for anoden. The stresses will also affect the current transition between the steel part and the anode since the contact surface and the contact pressure will change during the lifetime of the anode.

Med foreliggende oppfinnelse tas sikte på å fremstille en anodehenger som angitt i ingressen til foreliggende søknad krav 1, hvor forbindelsene mellom metalldelen/ ståldelen og ståldelen/anoden har: With the present invention, the aim is to produce an anode hanger as stated in the preamble to the present application, claim 1, where the connections between the metal part/steel part and the steel part/anode have:

- bedre termodynamiske egenskaper - better thermodynamic properties

- bedre elektrisk ledningsevne (lavere lednings- og - better electrical conductivity (lower conduction and

overgangsmotstand) transition resistance)

- større og konstant kontaktflate og kontakttrykk mot anoden - larger and constant contact surface and contact pressure against the anode

- meget lave sprekkpåkjenninger på anodematerialet - very low cracking stresses on the anode material

- stor kjøleflate mellom anode og metalldel - large cooling surface between anode and metal part

- god utnyttelse av anodematerialet - good utilization of the anode material

- enklere montasje av ny anode. - easier assembly of new anode.

Dette oppnås ved hjelp av anodehenger som videre angitt i den karakteriserende del av krav 1. This is achieved by means of anode hangers as further specified in the characterizing part of claim 1.

Detaljer for utførelsen av anodehengeren er omtalt i de uselvsten-dige kravene 2 til 8. Details for the execution of the anode hanger are discussed in the independent claims 2 to 8.

Foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives nærmere under henvisning til vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 viser en anodehenger sett fra siden, som er påmontert en anode av karbon. The present invention will now be described in more detail with reference to the attached drawings, where: Fig. 1 shows an anode hanger seen from the side, which is fitted with a carbon anode.

Fig. 2 viser anodehengeren med anoden sett ovenfra, Fig. 2 shows the anode hanger with the anode seen from above,

Fig. 3 viser en forstørret øvre detalj av forbindelsen mellom anodehengeren og Fig. 3 shows an enlarged upper detail of the connection between the anode hanger and

anoden vist i Fig. 1, og the anode shown in Fig. 1, and

Fig. 4 viser en nedre forstørret detalj av samme. Fig. 4 shows a lower enlarged detail of the same.

I Fig. 1 er det vist en anodehenger fra siden, som er påmontert en anode 7 av karbon. Anodehengeren består av en øvre del 1 av metall, anodestang, hvortil er festet (sveiset) et tverrgående åk 2 av metall. Ved begge ender av åket er det festet (sveiset) en kontaktsylinder 3 av metall med relativ stor diameter og liten høyde. Som forbindelsesledd mellom anoden 7 og kontaktsylinderen tjener en rørnippel 5 av stål. Rørniplens indre diameter er øverst tilpasset kontaktsylinderdiameteren og nederst den minste diameter i et ringspor 8 i anoden. Rørniplen har stor overflate mot omgivelsene som er gunstig med hensyn til å holde kontaktflater og skruefester relativt "kalde". En stor nippeldiameter gir en fin strømfordeling i anoden. In Fig. 1, an anode hanger is shown from the side, which is mounted on an anode 7 made of carbon. The anode hanger consists of an upper part 1 of metal, the anode rod, to which a transverse yoke 2 of metal is attached (welded). At both ends of the yoke, a contact cylinder 3 of metal with a relatively large diameter and small height is attached (welded). A pipe nipple 5 made of steel serves as a connecting link between the anode 7 and the contact cylinder. The pipe nipple's inner diameter is matched at the top to the contact cylinder diameter and at the bottom to the smallest diameter in an annular groove 8 in the anode. The pipe nipple has a large surface area against the surroundings, which is beneficial in terms of keeping contact surfaces and screw fasteners relatively "cold". A large nipple diameter provides a good current distribution in the anode.

Istedenfor å sveise sammen anodestangen (1), det tverrgående åket (2) og kontaktsylinderene (3) som alle er av metall, kan med fordel disse støpes i et stykke. Ved større antall blir dette en billigere fremstillingsmetode og vi oppnår en gunstigere strømføring fra anodestangen til kontaktsylinderene ved at strømførende sveisefor-bindelser unngås. Instead of welding together the anode rod (1), the transverse yoke (2) and the contact cylinders (3) which are all made of metal, these can advantageously be cast in one piece. With larger numbers, this becomes a cheaper manufacturing method and we achieve a more favorable current flow from the anode rod to the contact cylinders by avoiding current-carrying welding connections.

Rørniplen lages av stålrør, med gode varmeegenskaper, hvortil det tangentielt sveises en hylse 9 for gjennomføring av en spennbolt med hettemutre 6 i begge ender. The pipe nipple is made of steel pipe, with good heat properties, to which a sleeve 9 is tangentially welded for the passage of a tension bolt with cap nuts 6 at both ends.

En vurdering av de forskjellige varmeutvidelseskoeffisienter for aluminium (3), stål (5) og kull (7) samt temperaturene i kontaktsylinderen 3, rørniplen 5 og anoden 7 ved start og ved drift, skulle tilsi at hylsen 9 bør monteres noe nærmere kontaktsylinderen An assessment of the different thermal expansion coefficients for aluminum (3), steel (5) and coal (7) as well as the temperatures in the contact cylinder 3, the pipe nipple 5 and the anode 7 at start-up and during operation should indicate that the sleeve 9 should be mounted somewhat closer to the contact cylinder

3 enn anoden 7. 3 than the anode 7.

Etter påsveising av hylsen 9 splittes rørniplen og hylsen slik at hylsen blir delt på midten og rørniplen blir forsynt med et gjennomgående kutt i aksialretningen. After welding on the sleeve 9, the pipe nipple and the sleeve are split so that the sleeve is split in the middle and the pipe nipple is provided with a continuous cut in the axial direction.

Spennbolten er gjenget i begge ender og er forsynt med to hettemuttere 6. Ved tiltrekking av mutrene oppnås et stort kontakttrykk til kontaktsylindere (3) og anoden (7) mens de indre spenninger i nipplematerialet blir relativt lave. The tension bolt is threaded at both ends and is provided with two cap nuts 6. When the nuts are tightened, a large contact pressure is achieved to the contact cylinders (3) and the anode (7), while the internal stresses in the nipple material become relatively low.

Hettemutrene 6 beskytter gjengene på spennbolten. Fordelaktig er det å smøre gjengene f.eks. med grafitt. The cap nuts 6 protect the threads on the turnbuckle. It is advantageous to lubricate the threads, e.g. with graphite.

Kontakttrykkene blir tilnærmet konstante under hele anodens levetid. The contact pressures remain approximately constant throughout the anode's lifetime.

En av oppfinnelsens viktigste oppgaver er å gi anodehengeren mest mulig frihet for temperaturutvidelser. Man unngår dermed spenninger i anoden (7) og åket (2) som ellers ville oppstå på grunn av forskjellige lokale temperaturer og materialkoeffisienter. Fig. 2 viser anodehengeren med anoden i Fig. 1 sett ovenfra. Videre er det vist en hårnålsbøyle 4 som bare skal sikre at rørniplen 5 blir hengende på kontaktsylinderen når det ikke henger anode i hengeren. Hårnålsbøylen går gjennom fire hull i rørniplen og hviler mot overflaten av kontaktsylinderen. Trekkes hårnålsbøylen ut kan rørniplen i spenningsløs tilstand lett fjernes fra kontaktsylinderen. Fig. 3 viser et forstørret utsnitt av forbindelsen mellom rørniplen 5 og kontaktsylinderen 3. Både rørniplen og kontaktsylinderen foreslås bearbeidet i området for disses kontaktflater. One of the invention's most important tasks is to give the anode hanger as much freedom as possible for temperature expansion. This avoids voltages in the anode (7) and the yoke (2) which would otherwise arise due to different local temperatures and material coefficients. Fig. 2 shows the anode hanger with the anode in Fig. 1 seen from above. Furthermore, a hairpin bracket 4 is shown which is only intended to ensure that the tube nipple 5 is hanging on the contact cylinder when there is no anode hanging in the hanger. The hairpin collar passes through four holes in the tube nipple and rests against the surface of the contact cylinder. If the hairpin bracket is pulled out, the tube nipple can be easily removed from the contact cylinder in a de-energized state. Fig. 3 shows an enlarged section of the connection between the pipe nipple 5 and the contact cylinder 3. Both the pipe nipple and the contact cylinder are proposed to be machined in the area of their contact surfaces.

For å øke kontakttrykket mellom de to elementer, er det antydet avfasing i begge ender på kontaktsylinderen. Bearbeidingen på rørnippelens anleggsflate kan utføres noe konisk for tilpassing til en konkav deformering av hylsen ved tiltrekking av mutrene 6. For å redusere den elektriske overgangsmotstand og redusere oksidasjon av kontaktflaten, kan kontaktflaten elektrolytisk eller på annen måte påføres et godt, elektrisk ledende materiale så som kobber eller sølv. In order to increase the contact pressure between the two elements, chamfering is suggested at both ends of the contact cylinder. The machining of the fitting surface of the pipe nipple can be made somewhat conical to adapt to a concave deformation of the sleeve when tightening the nuts 6. To reduce the electrical transition resistance and reduce oxidation of the contact surface, the contact surface can be electrolytically or otherwise applied with a good, electrically conductive material such as copper or silver.

Fig. 4 viser en forstørret detalj av feste for rørniplen 5 til anode 7. Ved kronebor er et ringspor 8 med relativ stor diameter og liten toleranse boret. Da kontaktflaten blir stor, kan ringsporets dybde gjøres relativ liten. Rørniplen 5 foreslås bearbeidet på innsiden i nedre ende. Denne bearbeiding kan utføres noe konisk for å tilpasse seg en konkav deformering av hylsen ved tiltrekking av mutrene 6. For å redusere den elektriske overgangsmotstand i rørniplen, kan kontaktflaten elektrolytisk eller på annen måte påføres et godt, elektrisk ledende materiale som kobber eller sølv. Fig. 4 shows an enlarged detail of the attachment for the pipe nipple 5 to the anode 7. With a crown drill, an annular groove 8 with a relatively large diameter and small tolerance is drilled. As the contact surface becomes large, the depth of the ring groove can be made relatively small. The pipe nipple 5 is suggested to be processed on the inside at the lower end. This machining can be made somewhat conical to accommodate a concave deformation of the sleeve when tightening the nuts 6. To reduce the electrical transition resistance in the pipe nipple, the contact surface can be electrolytically or otherwise applied to a good, electrically conductive material such as copper or silver.

I henhold til oppfinnelsen skal det være mulig på hele, uskadete hengere å demontere brukt anode og å skifte ny anode i elektrolyseovnens umiddelbare nærhet. Fordelaktig er det å demontere anodene i transporttobber. Nye anoder blir stablet i flere høyder på traller med de ferdig beskårete ringspor vendende opp. According to the invention, it should be possible on whole, undamaged trailers to dismantle a used anode and to replace a new anode in the immediate vicinity of the electrolysis furnace. It is advantageous to dismantle the anodes in transport containers. New anodes are stacked in several heights on trolleys with the finished ring grooves facing upwards.

Rørniplene sette i ringsporene og hettemutrene trekkes tii fortrinnsvis ved stjerne-nøkler med lange momentarmer. Put the pipe nipples in the ring grooves and tighten the cap nuts preferably with star wrenches with long torque arms.

Claims

1. Anode hanger for retaining carbonaceous, calcined anode (7) in cells for the production of aluminum by melt electrolysis according to the Hall-Heroult process, comprising an upper part (1) of metal (aluminium, copper) which is connected to a yoke (2) of metal, characterized by- that the yoke is provided with at least two contact cylinders (3), - that pipe nipples (5) are arranged for each of the contact cylinders, which at their upper ends extend beyond these, - that the pipe nipples have a sleeve (9) tangentially welded to them, - that the tube nipples are split so that the split splits the sleeve, - that a threaded clamping bolt with cap nut (6) is mounted in the sleeve, whereby the anode is secured to the anode hanger by clamping the tube nipples to the contact cylinders (3) and the respective cores formed in the anode by ring grooves (8).

2. Anode hanger according to claim 1 characterized by that the sleeve (9) for the bolt feedthrough is attached to the pipe nipple so that the ratio between the distance from the bolt feedthrough to the center contact surface on the contact cylinder and the distance from the bolt feedthrough to the center contact surface in the anode is slightly less than 1.

3. Anode hanger according to claim 1 characterized by that the pipe nipples (5) are welded to two 180° staggered sleeves (9) for bolt penetration and that the pipe nipples with two cuts are split axially into two equal halves.

4. Anode hanger according to claims 1 and 3 characterized by that the ring grooves (8) in the anode are formed by mechanical processing.

5. Anode hanger according to claims 1 and 3 characterized by that the tube nipple (5) is machined conically on the inside at both ends to form an oxide-free contact surface that compensates for the concave deformation of the sleeve, whereby better mechanical and electrical contact is achieved.

6. Anode hanger according to claim 5 characterized by that the two contact surfaces of the pipe nipple (5) are electrolytically or otherwise applied with a layer of good electrically conductive material such as copper or silver.

7. Anode hanger according to claim 1 characterized by that the tube nipple (5) in an untensioned state is held to the yoke (2) and the contact cylinder (3) by means of a hairpin-shaped hoop (4).

8. Anode hanger according to claim 1 characterized by that the upper part of the anode hanger (1), the yoke (2) and the contact cylinders (3) are cast in one piece and that this piece is only machined in the contact surfaces.