NO176768B - Fremgangsmåte for å avtette minst en katodisk stav - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å avtette minst en katodisk stav av metall i hvert spor i en parallellepipedisk kullholdig "blokk som er beregnet til å danne katoden i en tank for fremstilling av aluminium ved elektrolyse, idet fremgangsmåten omfatter å støpe flytende støpejern i det frie rom mellom hver katodiske stav og hvert spor i den kullholdige blokken, idet blokken plasseres under avtettingsoperasjonen på en slik måte at sporet og grenpartiene rettes oppad, og settes under forutpåkjenning under støpeoperasjonen av støpejernet og under en periode som er minst lik 10 minutter etter avslutningen av støpeoperasjonen, og forutpåkjenningene som tilføres er av tilstrekkelig intensitet til å hindre sprekkdannelse. Fremgangsmåten er med fordel knyttet til fremstillingen av aluminium under anvendelse av Hall-Eeroult-prosessen.

I slike tanker dannes katoden av en sammenstilling av parallellepipediske karbonholdige blokker som anbringes i tilstøtende forhold og ved hvis basis er blitt kuttet et (eller av og til to) spor hvori en jernstav (eller av og til to halve stavdeler) avtettes ved støpning av et spesielt støpejern. Jernstaven rager ut ved endene av blokken for derved å være forlenget til utsiden av tanken, med endene av jernstaven dannende de "katodiske utganger" hvortil tilkoples "de katodiske kollektorer" som elektrolysestrømmen til det anodiske systemet for den etterfølgende tank i serien. Den løsningen er praktisk universell og er beskrevet eksempelvis i fransk patent 1 161 632 eller US patent nr. 3 489 984.

Den generelle tendens er å øke enhetseffekten og derfor dimensjonene av elektrolysetanker og intensiteten som passerer derigjennom. For katodiske blokker av store dimensjoner gir det termiske sjokket som involveres ved støpings-operasjonen av støpejernet ved tidspunktet for avtetting av staven i den katodiske blokken opphav til mekaniske påkjenninger som kan være tilstrekkelig alvorlige til å bevirke sprekkdannelse hos visse regioner av den kullholdige blokken og særlig ved endene av sporene eller, i den sentrale delen, på utsidekanten av blokkens grenpartier.

Evis en sprukket blokk anvendes for å danne et tankkar, har sprekken tendens til å bli forstørret i tanken under anord-ningens operasjon. Det fenomenet kan resultere i for tidlig forandring av katoden på grunn av innfiltreringen av flytende aluminium i sprekken. Det er av denne grunn at en hvilken som helst sprukket blokk må avvises, hvilket kan gi opphav til betydlige kostnadsøkninger.

I fransk patent nr. 2 175 658 (lik norsk utlegningsskrift 132.731 eller US patent nr. 3 851 377) Société des Elektrodes et Refractaires "SAVOIE", foreslås det at en langsgående kompresjonspåkjenning bør påføres ved støpningsoperasjonen i de deler av blokken som er tilliggende de utvendige langsgående kanter av grenpartiene, idet slike langsgående kompresjonspåkjenninger i alt vesentlig reduserer risikoen for at avtettingssprekker fremkommer. Ved denne kjente fremgangsmåte tilsiktes å tette minst en katodisk stav i hvert langsgående spor av en parallellepipedisk- karbonholdig blokk som er beregnet til å danne katoden i en tank for fremstillingen av aluminium ved hjelp av elektrolyse. Før ihelling av flytende metall i sporet mellom den forvarmede stav og blokken tilføres det en langsgående, komprimerende påkjenning i delene av blokken som tilstøter de utvendige, langsgående kanter av grenpartiene og som opprettholder en slik påkjenning under helling av metallet og minst en initiell del av kjølingstiden. Med kun slik langsgående kompresjonspåkjenning blir resten av tverrgående sprekker som fremkommer i nærheten av de ytre åser av emnet og vanligvis i den retning som er perpendikulær på åsen, vesentlig redusert.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved å tilføre forutpåkjenningene dels i nærheten av de to endene av blokken på sidekanten av de to grenpartiene ^ og dels ved minst et punkt på den øvre flaten av grenpartiene av blokken t

Det vil forstås at ordet "punkt" ikke skal tas i sitt strenge geometriske henseende, men betegner sonen hvori påkjenningen påføres og hvis omfang tilsvarer det for anordningen som påfører nevnte påkjenning (hodet av don-kraften eller mellomliggende plate av tilstrekkelig overflateareal til å unngå stansing eller merking av den katodiske blokken).

Ifølge ytterligere utførelsesform av avtettingsfremgangsmåten blir forutpåkjenningene tilfør ved hjelp av et middel slik som en donkraft (mekanisk, hydraulisk, pneumatisk eller elektrisk) eller tunge vekter. Hver forutpåkjenning blir tilført med en verdi mellom 100 og 200 daN, alternativt med en verdi mellom 1500 og 2500 daN.

Videre vil det ved hver ende av blokken være fordelaktig å tilføre forutpåkjenningene ved hjelp av en enkelt donkraft som virker på to dreibart lagrede stenger som virker i alt vesentlig symmetrisk på sidekanten av hvert grenparti.

Det er også mulig å la forutpåkjenningen frembringes ved hjelp av en tung vekt som er anbragt ved enden av en vektarm og tilføres i alt vesentlig symmetrisk til den øvre flaten av de to grenpartiene. Forutpåkjenningen kan i dette tilfellet tilføres enten i den sentrale delen av blokken eller i alt vesentlig ved en tredjedel og to tredjedeler av blokkens lengde. Figurene 1-10 illustrer måten for iverksettelse av oppfinnelsen . Figurene 1 og 2 viser to typer av katodiske blokker som har en og to staver. Figur 3 angir regionene hvor forutpåkjenningene er konsen-trert i avtettingsoperasjonen og når sideveis forutpåkjenninger tilføres. Figurene 4A og 4B viser virkningene av å tilføre vertikale forutpåkjenninger til den øvre flaten av blokken, enten i dens sentrale del eller ved to punkter som er anbragt ved omtrentlig en tredjedel og to tredjedeler av dens lengde. Figur 5 viser regionene for den priviligerte opptreden av

sprekker.

Figurene 6 og 7 viser skjematisk regionene hvor forutpåkjenningskrefter tilføres. Figurene 8, 9, 9A og 10 viser i eksempels form en anordning for generering av forutpåkjenningskrefter. Fig. 10 er

relatert til de to nederste figurene på tegningsark 3-3.

I den etterfølgende beskrivelse, og innbefattet i tegningene, skal de katodiske blokkene vurderes i den posisjon som de opptar i avtettende operasjoner, dvs. med sporet eller sporene for avtetting av katodiske staver i stilling rettet oppad, idet de derfor er i en omsnudd posisjon i forhold til den posisjon som de vil oppta når katoden monteres i hver elektrolysetank hvor sammenstillingen av de katodiske stavene er anbragt under de kullholdige blokkene. Figurene 1 og 2 viser to typer av katodiske blokker 1 med respektivt ett og to avtettingsspor 2. Uttrykket "grenparti" på den katodiske blokken anvendes generelt til å betegne den øvre delen 3 som er anbragt på de to store sidene 4 av parallellepipedet som dannes av blokken, over nivået for avtettingssporet 2, omtrentlig over den stiplede linjen AA'. Figur 1 viser også med stiplede linjer konturen av to katodiske halve stavdeler 5A og 5B som etterlater et sentralt rom av noen få centimeter mellom seg, som angitt med 6.

For avtetting av stavene (eller halvstavdelene) tilveie-bringes lukkeplugger av steinull eller lignende ved de to endene og i rommet 6, og flytende støpejern som kommer direkte fra en smelteovn helles, eventuelt etter forvarming av stavene og blokken til en temperatur som kan nå eksempelvis 700°C.

Etter kjøling snus blokkene 180° slik at, ved det tidspunkt hvor de settes i posisjon i hver tank til å danne katoden, er metallstavene beliggende under blokkene.

Hovedsprekkene (se fig. 5) dannes ved enden 7 av sporet, idet disse er de sprekker 8 som betegnes som "V"-formede sprekker, mens der på utsidekanten av grenpartiene 3, generelt i den sentrale delen, er sprekker som betegnes som "tverrgående" sprekker, som angitt med henvisningstallet 9.

For å unngå dannelsen av sprekker som fremkommer kort etter begynnelsen av kjøling av støpejernet (generelt i løpet av den kvarte timen som etterfølger slutten av støpeopera-sjonen), blir forutpåkjenninger med passende retning og tilstrekkelig intensitet samtidig tilført de regioner hvor sprekker opptrer.

Slik forutpåkjenningskrefter kan tilføres enten ved hjelp av en donkraft (av alle typer) eller ved hjelp av tunge vekter, eller ved en kombinasjon av de to måtene.

Ser man på figur 3, vil der ses at grenpartiene av blokken utsettes for antagonistiske krefter i løpet av den operasjonen. Dels er det kjent at påkjenningene F-p på grunn av de termiske virkninger i løpet av avtettingsoperasjonen har tendens til å bevirke V-formede sprekker 8 ved en skjæreffekt

(trekking) i det skraverte området 8A. Imidlertid har den forutpåkjenning F-^ som påføres den øvre delen av grenpartiet tendens over et visst nivå til å bevirke brudd i grenpartiet i en sprekkmodus i det skraverte området 8B.

Det er derfor nødvendig at forutpåkjenningen F^ justeres meget nøyaktig i avhengighet av de mekaniske karakteristika for kullet som danner blokken, på en slik måte at den utligner avtettingspåkjenningen som har tendens til å bevirke sprekkene 8, mens den forblir på et lavere nivå enn brudd-påkjenningen for materialet som er under strekk i sonen 8B.

I praksis, og med kullholdige blokker av konvensjonelle dimensjoner som anvendes i 150-200 KA elektrolysetanker, blir krefter F^ som kan nå 100-200 daN tilført i nærheten av sideendene av grenpartiene 3, ved punktene 10, ved hjelp av donkrafter. Ved hjelp av et ikke-begrensende eksempel, kan blokkene være 500 mm av bredde, 450 mm høye og 2400 mm lange, med et spor som er 160 mm bredt og 155 mm høyt. Tilførsels-punktet 10 for kraften anbringes fortrinnsvis i den øvre tredjedel av grenpartiets høyde.

Forutpåkjenningsoperasjonen utføres forut for støpning av støpejernet og forutpåkjenningen opprettholdes i minst 10 minutter etter slutten av støpeoperasjonen og i praksis i 10-30 minutter.

For å hindre dannelsen av tverrgående sprekker 9 på utside-kantene 11 av grenpartiene 3, er det mulig å tilføre en vertikal oppadrettet kraft F2 under de to endene av blokkene 1 samtidig med en nedadrettet vertikal skyvekraft F3 på den sentrale delen av blokken 1 (se fig. 7). Det er imidlertid også mulig og lettere å anbringe de to endene E av blokkene 1 på to stive støtter 12 som anbringes under endene derav og å tilføre kun forutpåkjenningskraften F3 til den øvre flaten av blokken, enten ved et punkt som er beliggende i den sentrale delen derav eller ved et flertall av punkter, eksempelvis ved to punkter som er anbragt omtrentlig ved en tredjedel og ved to tredjedeler av lengden derav. Kraften F 2 dannes så ved reaksjonen fra de stive støttene 12 (se fig. 4B).

Tilførselen av den forutpåkjenningskraften for å motstå tverrgående sprekkdannelse, gir opphav til det samme problem som hva angår de V-formede sprekker. Figur 4A viser at, hvis forutpåkjenningskraften F3 tilføres de to øvre flatene på respektive sider av det sentrale sporet, finner man at blokken utsettes for et flertall av mekaniske påkjennings-krefter (forutpåkjenningskraften F3 samt termiske påkjenninger på grunn av avtettingsoperasjonen) i kompresjon (områder markert med tegnet -) og i strekk (områder betegnet med tegnet + ), med et maksimum angitt med de to tegnene +) i bunndelen som er under avtettingssporet. Slike påkjenninger kunne også føre til brudd i blokken hvis de skulle overskride strekkbruddstyrken for det kullholdige materialet, som er mellom 2 og 5 MPa (ca. 20-50 kg/cm2 ). Figur 4B viser også forutpåkjenningsnivået i blokken avhengig av hvorvidt F3 tilføres i den sentrale delen (den heltrukne kurven, betegnet som "trekant"-kurven) eller ved to punkter ^3A» ^3B omtrentlig ved en tredjedel og to tredjedeler av lengden L (kurve med stiplet linje, betegnet som "trapes"-kurven). I det andre tilfellet er forutpåkjenningen mer homogent fordelt og risikoen for å bryte blokken når den settes under forutpåkjenning blir redusert, forutsatt at, slik som i tilfellet med de V-formede sprekkene, forutpåkjenningen F3 beregnes slik at den kompenserer for av-tettingspåkjenningene uten å overskride strekkbruddpåkjen-ningen for blokken. Figur 8 er et riss i sentralt langsgående snitt av anordningen for å utføre oppfinnelsen. Blokken 1 leveres av rulletransportøren 13 til avtettingsstasjonen hvor den først understøttes på de fire rullene 14. Etter at de katodiske stavene 5A og 5B er blitt satt i stilling, heves blokken noen få millimeter ved hjelp av den dreibart lagrede sammenstilling 15 som er tilveiebragt ved dens ender med to støtteruller 16A og 16B.

Sammenstillingen 15 dannes av en donkraft 17 som er montert på et fast punkt 18 og som tilfører dels en skyvekraft til armen 19 som er dreibart montert i dens sentrale parti ved 20, og dels en trekkraft til den trekantede armen 21 som er dreibart montert på det faste punktet 22. Som følge av den operasjonen, heves rullen 16A noen få millimeter og, ved hjelp av staven 23 og den andre trekantede armen 24 som er dreibart montert på det faste punktet 25, blir en andre rulle 16B hevet med en høyde som er i alt vesentlig lik den for den første rullen. Blokken 1 understøttes derfor så kun på de to rullene 16A og 16B. Hele løftemekanismen integreres med rulletransportøren som leverer blokken 1 til avtettingsstasjonen. De følgende krefter påføres så blokken 1 (gitt i form av ikke-begrensende eksempel, og i tilfellet med en blokk som måler 450 x 500 x 2400 mm, som allerede referert til ovenfor): 4 i alt vesentlig like krefter , tilføres ved endene av grenpartiene 3 (se figur 6), ved punktene 10; og 2 i alt vesentlig like krefter F3 som tilføres den øvre sentrale delen (C) av hvert ytre grenparti 3 eller, i en alternativ form, 4 i alt vesentlig like krefter F3^, F3g, ved en tredjedel og to tredjedeler av blokkens lengde (se fig. 4B og fig. 7).

De 4 kreftene F^ tilføres ved hjelp av den anordning som skjematisk er vist i figur 9A. En donkraft 26 tilføres samtidig til to stive armer 27A og 27B som er dreibart montert ved punktet 28, en skyvekraft som har virkningen med å tilføre to i alt vesentlig like påkjenninger F^ symmetrisk ved hjelp av vederlagselementer 29A og 29B.

En av de anordningene monteres ved en ende av blokken 1. En andre anordning 30A som er identisk med 30B plasseres ved den andre enden av blokken 1. Hver av påkjenningene Fl er av størrelsesorden 100-200 daN. Når man tar hensyn til naturen av det materiale som danner blokken, vil det være åpenbart at kreftene må tilføres ved hjelp av vederlagsplater som har et tilstrekkelig overflateareal til å unngå eventuell risiko for "stansing" av kullet. Den bemerkning gjelder også den vertikale forutpåkjenningskraften F3. Den sentrale delen av blokken 1 utsettes for virkningen av systemet 31 til å gi en påkjenningskraft ved hjelp av en tung vekt.

Anordningen 31 dannes av et fast åk 32 på hvilket en i alt vesentlig horisontal arm 34 er dreibart montert ved 33. Ved sin ende, som er i motsatt forhold til dreiefestet 33, som har horisontal akse, understøtter armen 34 en tung vekt 35 ved en avstand Dl fra dreiefestet 33. På et mellomliggende dreiefeste 36 med horisontal akse, anbragt i en avstand D2 (< Dl) understøtter armen også en bøyle for å tilføre den vertikale påkjenning F3 på i alt vesentlig symmetrisk måte til den øvre flaten av de to grenpartiene. Ved hver av dens to ender bærer bøylen 37 to vederlagsblokker 38A og 38B som, når blokken løftes og støtten 39 trekkes tilbake, tilfører de to påkjenningene F3 som er lik vekten av massen 35 multipli-sert med forholdet for vektarmen D2/D1. Hvis f.eks. dreiefestet 36 anbringes en fjerdedel av veien langs armens lengde fra det faste punktet 33, vil en vekt 31 av 1 tonn tilføre en kraft lik 4 tonn, dvs. ca. 4 daN, til grenpartiene. I praksis kan f orutpåkj enningskraf ten F3 være mellom 1500 og 2500 daN (dvs. 3000-5000 daN totalt), og fortrinnsvis rundt 2000 daN for den typen av kullholdig blokk som er angitt ovenfor (som måler 500 x 450 x 2400 mm).

I en alternativ form kan kreftene F3 tilføres ved hjelp av en donkraft som eksempelvis kan forbindes med en bøyle som er identisk eller lik bøylen 37. I tillegg, som angitt ovenfor, kan det også tilføres ved to punkter, anbragt omtrentlig en tredjedel og to tredjedeler av blokkens lengde, ved hjelp av to identiske anordninger 31.

Etter at forutpåkjenningskreftene F^ og F3 er blitt tilført, er det mulig å fortsette med støpejernsstøpeoperasjonen under de vanlige betingelser, mens tilførselen av F^ og F3 opprettholdes under en periode som er minst 15 minutter og som fortrinnsvis er mellom 20 og 30 minutter etter avslutningen av støpeoperasjonen.

Hvis nødvendig, kan kjølingen av blokken gjøres saktere ved å anvende plater eller matter av varmeisolerende materiale.

Bruken av oppfinnelsen gjorde det mulig praktisk talt fullstendig å eliminere opptredenen av avtettingssprekkene.

Ved den nylige konstruksjon av en serie som krever avtetting og plasseringen av mer enn 5000 katodiske blokker, ble 10 sprukne blokker funnet, dvs. 0,2$, mens tidligere den gjennomsnittlige sprekkhyppighet i de mest alvorlige til-feller kunne nå 5$.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for å avtette minst en katodisk stav av metall i hvert spor i en parallellepipedisk kullholdig blokk som er beregnet til å danne katoden i en tank for fremstilling av aluminium ved elektrolyse, idet fremgangsmåten omfatter å støpe flytende støpejern i det frie rom mellom hver katodiske stav og hvert spor i den kullholdige blokken, idet blokken plasseres under avtettingsoperasjonen på en slik måte at sporet og grenpartiene rettes oppad, og settes under forutpåkjenning under støpeoperasjonen av støpejernet og under en periode som er minst lik 10 minutter etter avslutningen av støpeoperasjonen, og forutpåkjenningene som tilføres er av tilstrekkelig intensitet til å hindre sprekkdannelse, karakterisert ved å tilføre forutpåkjenningene dels i nærheten av de to endene av blokken på sidekanten av de to grenpartiene (F^), og dels ved minst et punkt på den øvre flaten av grenpartiene av blokken (F3).

2. Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at forutpåkjenningene tilføres ved hjelp av et middel slik som en donkraft (mekanisk, hydraulisk, pneumatisk eller elektrisk) eller tunge vekter.

3. Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver forutpåkjenning (F^) tilføres med en verdi mellom 100 og 200 daN.

4 . Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver forutpåkjenning (F3) tilføres med en verdi mellom 1500 og 2500 daN.

5 . Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at, ved hver ende av blokken tilføres forutpåkjenningene (F^) ved hjelp av en enkelt donkraft som virker på to dreibart lagrede stenger som virker i alt vesentlig symmetrisk på sidekanten av hvert grenparti.

6. Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at forutpåkjenningen (F3) frembringes ved hjelp av en tung vekt som er anbragt ved enden av en vektarm og tilføres i alt vesentlig symmetrisk til den øvre flaten av de to grenpartiene.

7. Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at forutpåkjenningen (F3) tilføres i den sentrale delen av blokken.

8. Avtettingsfremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at forutpåkjenningen (F3) tilføres i alt vesentlig ved en tredjedel og to tredjedeler av blokkens lengde.