WO2003056069A1 - Verfahren zum graphitieren von kathodenblöcken - Google Patents

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Johann Daimer
Frank Hiltmann
Jörg MITTAG
Philippe Beghein
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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/522—Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Definitions

  • the invention relates to a method for graphitizing cathode blocks, in particular for the electrolytic production of aluminum.
  • electrolytic cells which comprise a base composed of a multiplicity of blocks, which acts as a cathode.
  • the electrolyte is a melt, essentially a solution of aluminum oxide in cryolite.
  • the working temperature is around 1000 ° C, for example.
  • the electrolytically deposited molten aluminum collects on the bottom of the cell under a layer of the electrolyte.
  • Around the cells is a metallic housing (preferably steel) with a lining made of high temperature resistant material.
  • the material of the cathode blocks is preferably carbon because of the required chemical and thermal resistance, which can be partially or completely graphitized by thermal treatment.
  • mixtures of pitches, cokes, anthracite and / or graphite in selected particle sizes or particle size distributions for the solids are mixed, shaped and fired and optionally (partially) graphitized.
  • the firing (carbonization) usually takes place at temperatures of approx. 1200 ° C, the graphitization usually at temperatures of approx. 2400 ° C.
  • While graphitized cathodes are preferred because of their higher electrical conductivity, they show greater wear during operation, corresponding to an average annual decrease in their thickness of up to 80 mm. This wear is not evenly distributed over the length of the cathode blocks (corresponding to the width of the cell), but changes the surface of the cathode blocks to a " W-shaped profile. Due to the uneven removal, the service life of the cathode blocks is limited by the locations with the greatest removal ,
  • One way of equalizing the removal over the length of the cathode block and thus extending the service life is to design the cathode blocks so that their electrical resistance varies over the length such that the current density (and thus the Wear) is uniform over its length or at least exhibits the smallest possible deviation over the length from its mean value.
  • a solution is described in DE 20 61 263, in which composite cathodes are formed either from several carbon blocks with different electrical conductivity, which are arranged in such a way that a uniform or approximately uniform current distribution results, or from carbon blocks, the electrical resistances of which are in the direction of the cathodic Derivatives increase continuously.
  • the number of carbon blocks and their electrical resistance depend on the cell size and type, they must be recalculated for each case.
  • Cathode blocks made of a large number of individual carbon blocks require a great deal of effort in the construction; the joints must also be properly sealed to prevent the liquid aluminum from flowing out at the joints.
  • WO 00/46426 describes a graphite cathode which consists of a single block which has an electrical conductivity which is variable over its length, the conductivity at the ends of the block being lower than in the middle.
  • This uneven distribution of electrical conductivity is achieved by bringing the end zones to a temperature of 2200 to 2500 ° C during the graphitization, while exposing the other zone to a temperature of 2700 to 3000 ° C.
  • This different heat treatment can be achieved according to this teaching in two ways: first, the heat dissipation in the graphitization furnace can be limited differently, or heat sinks can be introduced in the vicinity of the end zones, which increase the heat loss.
  • the density of the heat-insulating bed is changed so that the heat loss becomes uneven over the length of the cathodes and the desired temperatures are thus set.
  • the heat loss in the vicinity of the ends can be increased by different designs of the heat-insulating bed, or for this purpose heat-dissipating bodies made of graphite are preferably introduced in their vicinity, which cause a greater heat flow to the outside of the furnace wall.
  • the difference in the heat treatment can take place by locally changing the current density, with the result that different heat developments occur.
  • this change in the current density can take place through different resistances of the conductive bed between two cathodes in an Acheson furnace (cross-graphitization); no solution of this type is specified for a longitudinal graphitization process.
  • the invention therefore relates to a method for graphitizing cathode blocks for the electrolytic extraction of aluminum according to the longitudinal graphitization method, wherein in a longitudinal graphitization furnace the cathode blocks are arranged in two superimposed planes so that they overlap in length by at least 500 mm, and one Maintain a minimum distance of 5 mm between the longitudinal surfaces of the cathode blocks. is, the current transfer between the individual cathode blocks through conductive body is mediated, and wherein the cathode blocks and the conductive bodies lie one on top of the other such that the contact between the cathode blocks and the conductive bodies is mediated by the weight force acting on the cathode blocks.
  • FIG. 1 shows a section along a plane directed perpendicularly and in the direction of the long axis of the cathode blocks through a longitudinal graphitization furnace.
  • the current preferably runs through part of the Cathode blocks 4, 4 'and 4 "and the hatched conductive bodies 8.
  • the current path can be influenced and thus the temperature distribution inside the cathode blocks during the graphitization process.
  • the conductive bodies 8 are preferably made of graphite, since this material can easily withstand the temperatures of up to 3000 ° C. that occur.
  • the contact pressure required for an efficient current transfer is generated by the weight of the cathode blocks (blocks 4 and 4 "in FIG. 1).
  • the conductive bodies preferably have approximately the shape of a cuboid if the cathode blocks in the vicinity of the contact area are sufficiently flat.
  • the dimensions of the conductive bodies are advantageously chosen so that their extension in the longitudinal direction of the cathode blocks is at least 30 and at most 75% of the length of the overlap of the cathode blocks in contact with them.
  • Their extension perpendicular to the longitudinal direction of the cathode blocks and parallel to the mutually facing surfaces of the cathode blocks in contact with them should advantageously be at least 50% and at most 120% of the width of the mutually facing cathode surfaces at this point. For the best possible current transfer, it is favorable if the conductive bodies touch at least one of the cathode blocks in contact with them.
  • the conductive bodies consist of at least 50% of their mass of graphite. Their specific electrical resistance should preferably be at most 8 ⁇ m. It is also possible to arrange the cathode blocks in more than two levels. Each of the cathode blocks should cover at least one of its ends with at least two other cathode blocks and be conductively connected to them via the conductive bodies.

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Abstract

Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblöcken für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach der Methode der Längsgraphitierung, wobei in einem Längsgraphitierungsofen die Kathodenblöcke (4, 4´, 4') so angeordnet sind, dass sie sich in der Länge um mindestens 500 mm überlappen, und ein Mindestabstand zwischen den längsgerichteten Oberflächen der Kathodenblöcke von 5 mm eingehalten wird, wobei der Stromübergang zwischen den einzelnen Kathodenblöcken durch leitfähige Körper (8) vermittelt wird, und wobei die Kathodenblöcke und die leitfähigen Körper derart aufeinanderliegen, dass der Kontakt zwischen den Kathodenblöcken und den Leitfähigen Körpern durch die auf die Kathodenblöcke wirkende Gewichtskraft vermittelt wird, die so hergestellten Kathodenblöcke und ihre Verwendung bei der Aluminiumgewinnung.

Description

Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblocken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblocken insbesondere für die elektrolytische Herstellung von Aluminium.
Bei der elektrolytischen Herstellung von Aluminium nach dem Hall-Heroult-Nerfahren werden Elektrolysezellen eingesetzt, die einen aus einer Vielzahl von Blöcken zusammengesetzten Boden umfassen, der als Kathode wirkt. Der Elektrolyt ist eine Schmelze, im wesentlichen eine Lösung von Alu iniumoxid in Kryolith. Die Arbeitstemperatur liegt beispielsweise bei ca. 1000 °C. Das elektrolytisch abgeschiedene geschmolzene Aluminium sammelt sich auf dem Boden der Zelle unter einer Schicht des Elektrolyten. Um die Zellen ist ein metallisches Gehäuse (bevorzugt Stahl) mit einer Auskleidung aus hochtemperaturbeständigem Material.
Das Material der Kathodenblöcke ist wegen der erforderlichen chemischen und thermischen Beständigkeit bevorzugt Kohlenstoff, der durch thermische Behandlung teilweise oder vollständig graphitiert sein kann. Zur Herstellung solcher Kathodenblöcke werden Mischungen von Pechen, Koksen, Anthrazit und/oder Graphit in ausgewählten Teilchengrößen bzw. Teilchengrößenverteilungen für die Feststoffe gemischt, geformt und gebrannt und gegebenenfalls (teilweise) graphitiert. Das Brennen (Carbonisierung) erfolgt üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1200 °C, die Graphitierung üblicherweise bei Temperaturen von über ca. 2400 °C.
Während graphitierte Kathoden wegen ihrer höheren elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt werden, zeigen sie eine stärkere Abnutzung während des Betriebs, entsprechend einer mittleren jährlichen Abnahme ihrer Dicke von bis zu 80 mm. Diese Abnutzung ist nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke (entsprechend der Breite der Zelle) verteilt, sondern verändert die Oberfläche der Kathodenblöcke zu einem "W-förmigen Profil. Durch den ungleichmäßigen Abtrag wird die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke begrenzt durch die Stellen mit dem größte Abtrag.
Eine Möglichkeit, den Abtrag über die Länge des Kathodenblocks zu vergleichmäßigen und damit die Nutzungsdauer zu verlängern, besteht darin, die Kathodenblöcke so auszuführen, daß ih - elektrischer Widerstand über die Länge variiert, derart daß die Stromdichte (und damit die Abnutzung) über ihre Länge gleichmäßig ist oder zumindest eine möglichst geringe Abweichung über die Länge von ihrem Mittelwert aufweist.
Eine Lösung ist in DE 20 61 263 beschrieben, wobei zusammengesetzte Kathoden gebildet werden entweder aus mehreren Kohlenstoffblöcken mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die so angeordnet werden, daß sich eine gleichmäßige oder annähernd gleichmäßige Stromverteilung ergibt, oder aus Kohlenstoffblöcken, deren elektrische Widerstände in Richtung der kathodischen Ableitungen kontinuierlich zunehmen. Die Anzahl der Kohlenstoffblöcke und deren elektrischer Widerstand richten sich jeweils nach Zellengröße und Zellentyp, sie müssen für jeden Fall neu errechnet werden. Kathodenblöcke aus einer Vielzahl von einzelnen Kohlenstoff-Blöcken erfordern einen hohen Aufwand bei der Konstruktion; auch müssen die Stoßstellen jeweils gut abgedichtet werden, um ein Ausfließen des flüssigen Aluminiums an den Stoßstellen zu vermeiden.
In der WO 00/46426 ist eine Graphitkathode beschrieben worden, die aus einem einzelnen Block besteht, der eine über seine Länge veränderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei die Leitfähigkeit an den Enden des Blocks niedriger ist als in der Mitte. Diese ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit wird erreicht, indem während der Graphitierung die Endzonen auf eine Temperatur von 2200 bis 2500 °C gebracht werden, während die mitdere Zone einer Temperatur von 2700 bis 3000 °C ausgesetzt wird. Diese unterschiedliche Wärmebehandlung kann gemäß dieser Lehre durch zwei Weisen erreicht werden: einmal kann die Wärmeableitung im Graphitierungsofen unterschiedlich begrenzt werden, oder es können Wärmesenken in der Nachbarschaft der Endzonen eingebracht werden, die den Wärmeverlust erhöhen. Bei einer Quergraphitierung wird dabei die Dichte der wärmeisolierenden Schüttung so verändert, daß der Wärmeverlust über die Länge der Kathoden ungleichmäßig wird und damit die gewünschten Temperaturen eingestellt werden. Auch bei der Längsgraphitierung kann durch unterschiedliche Ausführung der wärmeisolierenden Schüttung der Wärmeverlust in der Nähe der Enden vergrößert werden, oder es werden zu diesem Zweck wärmeableitende Körper bevorzugt aus Graphit in deren Nähe eingebracht, die einen stärkeren Wärmeabfluß nach außen zur Ofenwand hin bewirken.
Gemäß einer anderen Methode kann der Unterschied der Wärmebehandlung durch lokale Veränderung der -Stromdichte erfolgen, mit der Folge unterschiedlicher Wärmeentwicklung. Diese Veränderung der Stromdichte kann gemäß der Lehre durch unterschiedliche Widerstände der leitenden Schüttung zwischen zwei Kathoden in einem Acheson-Ofen (Quergraphitierung) erfolgen, für ein Längsgraphitierungsverfahren ist kein derartige Lösung angegeben.
Diese bekannten Methoden weisen für die Praxis erhebliche Nachteile auf. Ein Unterschied von 500 °C für die gewünschten Graphitierungstemperaturen in der Mitte und an den Enden der Kathoden ist durch Wärmesenken allein nicht erreichbar. Unterschiedliche Wärmeableitung nach außen in dem erforderlichen Maße bringt einen erheblichen Energieverlust, der die Fertigung wesentlich verteuert. Der höhere Wärmeverlust nach der Seite des Ofens bedeutet auch eine höhere thermische Beanspruchung, die die Konstruktion des Ofens verteuert oder seine Lebensdauer vermindert. Schließlich ist eine Inhomogenität der wärmeisolierenden bzw. der leitenden Schüttung wenig praktikabel, da das Schüttungsmaterial zur Befüllung in mehreren Schritten eingebracht werden müßte und nach dem Abschluß des Ofenzyklus und dem Entfernen der Kathoden wieder entsprechend seiner Wärmeleitung bzw. elektrischen Leitfähigkeit klassiert werden müßte.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein praktikables Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Kathoden herzustellen, die über ihre Länge eine unterschiedliche elektrische Leitfälligkeit aufweisen.
Es wurde nun gefunden, daß durch gestaffelte überlappende Lage der zu graphitierenden Kathodenblöcke in zwei übereinanderliegenden Ebenen erreicht werden kann, daß die Stromdichteverteilung entiang der Länge der Kathodenblöcke ungleichmäßig ist derart, daß die Stromdichte im Bereich der Mitte der Länge der Kathodenblöcke größer ist als im Bereich der Enden. Dementsprechend werden die Kathodenblöcke über ihre Länge unterschiedlich stark aufgeheizt und damit unterschiedlich schell graphitiert.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblocken für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach der Methode der Längsgraphitierung, wobei in einem Längsgraphitierungsofen die Kathodenblöcke so in zwei übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind, daß sie sich in der Länge um mindestens 500 mm überlappen, und ein Mindestabstand zwischen den längsgerichteten Oberflächen der Kathodenblöcke von 5 mm eingehalten. wird, wobei der Stromübergang zwischen den einzelnen Kathodenblocken durch leitf hige Körper vermittelt wird, und wobei die Kathodenblöcke und die leitfähigen Körper derart aufeinanderliegen, daß der Kontakt zwischen den Kathodenblocken und den leitfähigen Körpern durch die auf die Kathodenblöcke wirkende Gewichtskraft vermittelt wird.
Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 einen Schnitt entlang einer senkrecht und in Richtung der langen Achse der Kathodenblöcke gerichteten Ebene durch einen Längsgraphitierungsofen. Dabei sind mehrere Kathodenblöcke 4, 4' und 4" zu sehen, die in zwei Ebenen übereinander in dem Ofen angeordnet sind. Schüttung und Ofenwand wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Der Strom verläuft wie durch die mit I bezeichnete Linie angedeutet bevorzugt durch einen Teil der Kathodenblöcke 4, 4' und 4" sowie die schraffiert dargestellten leitfähigen Körper 8. Je nach der gewählten Überlappungslänge kann der Stromweg beeinflußt werden und damit die Temperaturverteilung im Inneren der Kathodenblöcke beim Graphitierungsvorgang. Die leitfähigen Körper 8 sind bevorzugt aus Graphit, da dies Material die auftretenden Temperaturen von bis zu 3000 °C ohne weiteres überstehen kann. Der für einen effizienten Stromübergang erforderliche Anpreßdruck wird durch die Gewichtskraft der aufliegenden Kathodenblöcke (in der Fig. 1 die Blöcke 4 und 4")erzeugt.
In bevorzugter Weise haben die leitfähigen Körper ungefähr die Form eines Quaders, wenn die Kathodenblöcke in der Umgebung der Auflagefläche hinreichend eben sind. Die Maße der leitfähigen Körper werden vorteilhaft so gewählt, daß ihre Ausdehnung in Längsrichtung der Kathodenblöcke mindestens 30 und höchstens 75 % der Länge der Überlappung der mit ihnen in Kontakt stehenden Kathodenblöcke beträgt. Ihre Ausdehnung senkrecht zur Längsrichtung der Kathodenblöcke und parallel zu den einander zugewandten Flächen der mit ihnen in Kontakt stehenden Kathodenblöcke sollte vorteilhafterweise mindestens 50 % und höchstens 120 % der Breite der einander zugewandten Kathodenoberflächen an dieser Stelle betragen. Für einen möglichst guten Stromübergang ist es günstig, wenn die leitfähigen Körper mindestens eine der mit ihnen in Kontakt stehenden Kathodenblöcke flächig berühren.
Wegen der thermischen Beanspruchung ist es bevorzugt, daß die leitfähigen Körper zu mindestens 50 % ihrer Masse aus Graphit bestehen. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand sollte bevorzugt höchstens 8 μΩ m betragen. Es ist auch möglich, die Kathodenblöcke in mehr als zwei Ebenen anzuordnen. Dabei sollte jeder der Kathodenblöcke an einem seiner Enden mit mindestens zwei anderen Kathodenblocken übedappen und mit ihnen über die leitfähigen Körper leitend verbunden sein.
Es ist weiter möglich, das Verfahren so auszubilden, daß der Stromdurchgang nicht durch die Endflächen der Kathodenblöcke erfolgt, sondern ausschließlich durch die leitfähigen Körper, die im Bereich zwischen 25 und 75 % der Überlappungslänge jeweils zweier Kathodenblöcke in den Ofen eingebracht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Graphitieren von Kathodenblocken für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach der Methode der Längsgraphitierung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Längsgraphitierungsofen die Kathodenblöcke so angeordnet sind, daß sie sich in der Länge um mindestens 500 mm überlappen, wobei ein Mindestabstand zwischen den längsgerichteten Oberflächen der Kathodenblöcke von 5 mm eingehalten wird, daß der Stromübergang zwischen den einzelnen Kathodenblocken durch leitfähige Körper vermittelt wird, und daß die Kathodenblöcke und die leitfähigen Körper derart aufeinanderliegen, daß der Kontakt zwischen den Kathodenblocken und den leitfähigen Körpern durch die auf die Kathodenblöcke wirkende Gewichtskraft vermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfahigen Körper ungefähr die Form eines Quaders besitzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der leitfähigen Körper in Längsrichtung der Kathodenblöcke mindestens 30 und höchsten 75 % der Länge der Überlappung der mit ihnen in Kontakt stehenden Kati odenblöcke beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der leitfähigen Körper senkrecht zur Längsrichtung der Kathodenblöcke und parallel zu den einander zugewandten Flächen der mit ihnen in Kontakt stehenden Kathodenblöcke mindestens 50 % und höchsten 120 % der Breite der einander zugewandten Kathodenoberflächen an dieser Stelle beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfahigen Körper mindestens eine der mit ihnen in Kontakt stehenden Kathodenblöcke flächig berühren.
6. "-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Körper zu mindestens 50 % ihrer Masse aus Graphit bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kathodenblöcke an einem seiner Enden mit mindestens zwei anderen Kathodenblocken überlappt und mit ihnen über die leitfähigen Körper leitend verbunden ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Körper einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 8 μΩ m besitzen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdurchgang nicht durch die Endflächen der Kathodenblöcke erfolgt, sondern ausschließlich durch leitfähige Materialien, die im Bereich von 25 bis 75 % der Überlappungslänge zwischen jeweils zwei Kathodenblocken in den Ofen eingebracht werden.
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