Befestigung von Anodenzapfen bzw.-spaten in einer Kohlenstoffanode

Abstract

 Die Kohlenstoffanoden (18) von Aluminimelektrolysezellen sind an den Anodenstangen aufgehängt. Deren untersterTeil, die Anodenzapfen bzw. -spaten (10,12), kann durch Eingiessen von Gusseisen in entsprechend ausgeformte, mindestens teilweise seitlich hinterschnittene Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) in der Kohlenstoffanode (18) befestigt werden.
Zwischen dem Boden (22, 24) der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14,16) und der Unterseite (34, 36) der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) ist eine wenigstens einige Millimeter dicke horizontale Gusseisenschicht (28) ausgebildet.
Das in dieZwischenräumeeingegossene Gusseisen erwärmt die Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) auf über 400°C. Die Masse des eingegossenen Gusseisens ist kleiner als die Masse des zu umhüllenden Unterteils der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Befestigung von Anodenzapfen bzw. -spaten in einer Kohlenstoffanode von Schmelzflusselektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium, bestehend aus einem mit dem Unterteil des Anodenzapfens bzw. -spatens verbundenen Gusskörper, der aus einer in mindestens teilweise seitlich hinterschnittene Zapfen- bzw. Spatenlöcher der Anode eingegossenen und erstarrten Gusseisenmasse gebildet ist.

[0002] Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums oder ein von diesem benetzbarer Festkörper die Kathode bildet. Am Anodenbalken befestigte, bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehende Anoden tauchen von oben in den Elektrolyten ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C0₂ und CO verbindet. Die Kohleanoden müssen deshalb in periodischen Abständen durch neue ersetzt werden.

[0003] Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich zwischen 940 und 970°C statt.

[0004] Die mehrere hundert Kilogramm schweren, vorgebackenen Kohlenstoffanoden werden am untersten Teil der Anodenstangen, den Anodenzapfen bzw. -spaten, befestigt. Anodenzapfen sind im Querschnitt rund, Anodenspaten dagegen quadratisch oder rechteckig. Zur Befestigung werden die Anodenstangen in entsprechend ausgeformte Zapfen- bzw. Spatenlöcher gestellt. Der seitliche Zwischenraum wird mit einer verkokbaren Kohlemasse ausgestampft oder mit Gusseisen gefüllt. Die für die Befestigung notwendingen Materialien müssen nicht nur eine hohe mechanische Stabilität aufweisen, sondern auch einen guten elektrischen Uebergangswiderstand haben.

[0005] Da die bei der elektrolytischen Herstellung von Aluminium eingesetzten Kohlenstoffanoden einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, ist die Tiefe der Zapfen- bzw. Spatenlöcher bedeutungsvoll. Eine abgebrannte Anode muss ausgewechselt werden, bevor der eiserne Zapfen bzw. Spaten nackt in den schmelzflüssigen Elektrolyten taucht.

[0006] In der DE-PS 1 937 411 wird gezeigt, wie die Tiefe der Zapfen- bzw. Spatenlöcher minimal, nur 3 - 6 cm, ausgebildet werden kann, insbesondere dank der Ausbildung von Hinterschneidungen.

[0007] Obwohl die DE-PS 1 937 411 in bezug auf die Verbindungstiefe und damit das Ausmass der Anodenabfälle eine wesentliche Verbesserung bringt, kann ein weiteres Problem nur ungenügend gelöst werden. Beim Eingiessen stehen die Anodenstangen auf dem Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher, sie werden im untersten Teil mit Gusseisen ummantelt. Da Zapfen- bzw. Spatenstahl und Gusseisen nicht den gleichen thermischen Dilatationskoeffizienten aufweisen, schrumpft das einen grösseren Koeffizienten aufweisende Gusseisen beim Abkühlen mehr als der Stahl. Wird die Anode in die Elektrolysezelle eingesetzt, so entsteht zwischen dem Boden des Zapfen- bzw. Spatenlochs und der Unterseite des Zapfens bzw. Spatens ein Spalt. Dies bewirkt, dass während der Elektrolyse der duruli die Anodenstange fliessende elektrische Gleichstrom mehrheitlich seitlich in den Anodenkörper fliesst. Dies hat einen erhöhten Spannungsabfall zur Folge.

[0008] Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Befestigung von Anodenzapfen bzw. -spaten in einer Kohlenstoffanode von Schmelzflusselektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, welche während des Elektrolyseprozesses einen verbesserten Kontakt zwischen dem Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher und der Unterseite der Zapfen bzw. Spaten mit geringem Uebergangswiderstand aufweist.

[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine zwischen dem Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher und der Unterseite der Anodenzapfen bzw. -spaten angeordnete, wenigstens einige Millimeter dicke, horizontale Gusseisenschicht.

[0010] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Dicke des seitlichen, d.h. bisher üblichen Gusseisenmantels und die Dicke der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende horizontale Gusseisenschicht ungefähr gleich dick auszubilden. Zweckmässig werden sowohl Gusseisenmantel als auch horizontale Gusseisenschicht mindestens 5 mm dick ausgebildet, vorzugsweise jedoch 10 bis 15 mm dick.

[0011] Weiter hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher nicht wie üblich eben, sondern bombiert auszubilden.

[0012] Der für das Gusseisen vorgesehene Spalt zwischen dem Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher und der Unterseite der Anodenzapfen bzw. -spaten kann beispielsweise hergestellt werden, indem die Anodenstange abgestellt und dann um Spaltbreite hochgezogen und fixiert wird.

[0013] Bevorzugt wird jedoch die horizontale Spaltbreite und damit die Dicke der horizontalen Gusseisenschicht mit mechanischen Mitteln bewirkt:

- Der Kohlenstoffboden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher weist mindestens eine Ausformung auf, welche die daraufgestellte Anodenstange trägt/tragen. Diese konkaven Ausformungen weisen eine geringe Grundrissfläche auf.

- Die Unterseite der Anodenzapfen bzw. -spaten weist mindestens einen Nocken o.dgl. auf, welche/r auf den Boden der Zapfen bzw. Spatenlöcher gestellt wird/werden und so den für die Ausbildung der horizontalen Gusseisenschicht notwendigen Spalt bildet/bilden. Auch derartige Nocken weisen eine geringe Grundrissfläche auf.

- Vor dem Einsetzen der Anodenstange wird pro Zapfen- bzw. Spatenloch mindestens ein die horizontale Spaltbreite bestimmendes Eisenstück eingelegt. Die Anodenstange wird darauf abgestellt.

[0014] Damit die Tiefe der Zapfen- bzw. Spatenlöcher möglichst gering, beispielsweise in der Grössenordnung 5 - 10 cm, gehalten werden kann, sind diese mindestens teilweise hinterschnitten. Dies erfolgt durch die Ausbildung von an sich bekannten Massnahmen:

- Wenigstens im untern Teil verjüngen sich Seitenwände der Zapfen- bzw. Spatenlöcher nach oben.

- Es sind teilweise oder vollständig umlaufende Horizontalnuten von beliebiger Querschnittsform ausgebildet. Zweckmässig sind sie nicht im Randbereich der Zapfen-oder Spatenlöcher, sonst würde die Gefahr des Ausreissens bestehen.

- Bei Anodenzapfen sind wenigstens drei Spiralnuten ausgebildet, die eine nicht unter 70° liegende Steigung haben. In bezug auf Herstellung und Wirkungsweise ist eine Steigung zwischen 72 und 75° optimal, insbesondere wenn die Ecken der Nuten abgerundet sind. Beim Wiedereinsatz des Gusseisens spielt neben der geometrischen Form der Spiralnuten auch deren Anzahl eine Rolle, bei mehr als sechs solcher Nuten wird die Reinigung des Gusseisenstücks zunehmend problematischer.

[0015] Für eine zuverlässige Befestigung von Anodenzapfen bzw. -spaten in einer Kohlenstoffanode ist neben den geometrischen Bedingungen für die horizontale Gusseisenschicht insbesondere die Giesstechnik zu beachten. Beim normalen Abkühlen einer mit üblicher Giesstechnik hergestellten Gusseisenbefestigung würde diese beim Abkühlen reissen. Wird der Anodenzapfen bzw. -spaten wie üblich beim Vorwärmen beispielsweise von 20 auf 300°C erwärmt, so entstehen nach dem Eingiessen Schrumpfspannungen, die sich bei sinkender Temperatur ständig vergrössern.

[0016] In bezug auf das Verfahren wird die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch gelöst, dass die Unterseiten der vorgewärmten Anodenzapfen bzw. -spaten in Abstand vom Boden der Zapfen- bzw. Spatenlöcher fixiert werden, und das in die Zwischenräume eingegossene Gusseisen die Anodenzapfen bzw. -spaten auf über 400°C erwärmt, wobei die Masse des eingegossenen Gusseisens kleiner ist als die Masse des zu umhüllenden Unterteils der Anodenzapfen bzw. -spaten.

[0017] Bei einer Erwärmung der Anodenzapfen bzw. -spaten auf über 400°C liegt das Gusseisen überwiegend im plastischen Verformungsbereich. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur entstehen dadurch geringere Schrumpfspannungen; die Gusseisenbefestigung reisst nicht.

[0018] Das Optimieren der Giesstechnik hat ergeben, dass die Kombination der folgenden Merkmale zu guten Ergebnissen führt:

- Vorwärmen der Anodenzapfen bzw. -spaten auf eine Temperatur von 100 - 300°C, vorzugsweise 150 - 270°C.

- Eingiesstemperatur des Gusseisens 1200 - 1350°C, vorzugsweise ca. 1300°C.

- Das Massenverhältnis des Gusseisens zu dem zu umhüllenden Teil der Anodenzapfen bzw. -spaten liegt zwischen 0,5:1 und 1:1.

- Der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher der Kohlenstoffanode wird auf 80 bis 200°C, vorzugsweise ca. 100°C vorgewärmt.

[0019] Das Gusseisen wird materialschlüssig bis zur Oberseite der Kohlenstoffanode eingefüllt.

[0020] Bei der Ausbildung von mindestens teilweisen Hinterschneidungen der Seitenwände der Zapfen- bzw. Spatenlöcher bilden sich so Widerlager für das Gusseisen. Dadurch werden die Unterseiten der Anodenzapfen bzw. -spaten nach der Wiedererwärmung in der Elektrolysezelle stets auf die erstarrte, horizontale Gusseisenschicht gedrückt, womit ein kleinerer Uebergangswiderstand gewährleistet ist. Der Strom fliesst dann mehrheitlich in vertikaler Richtung durch die Anodenzapfen bzw. -spaten in die Anoden.

[0021] Versuchsreihen haben gezeigt, dass der Uebergangswiderstand bei üblichen Verfahren für eingegossene Anodenstangen nach 6 Tagen Einsatzzeit zwischen 50 und 60 p_Q liegt. Bei erfindungsgemäss eingegossenen Anodenstangen dagegen liegt der Uebergangswiderstand selbst nach 4 Tagen Einsatzdauer nur bei 25 - 30 PQ. Dadurch kann der Gesamtwiderstand der Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium merklich gesenkt werden, was sich in verminderten Energiekosten ausdrückt.

[0022] Die Erfindung wird anhand der folgenden, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen schematisch:

- Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Befestigung mit einer Ausformung im Kohlenstoffboden,

- Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Befestigung mit Nocken auf der Unterseite des Anodenspatens,

- Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Befestigung mit eingelegtem Eisenstück und

- Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch eine Befestigung mit Spiralnuten als hinterschneidende Widerlager im Zapfenloch.

[0023] Die in Fig. 1 dargestellte Befestigung eines Anodenzapfens 10 im entsprechend ausgeformten Zapfenloch 14 der Kohlenstoffanode 18 erfolgt, indem der Anodenzapfen 10 vorerst auf die im wesentlichen kegelstumpfförmige Ausformung 20 des Bodens 22 des Zapfenlochs gestellt wird. Die Umhüllung besteht aus einem Gusseisenmantel 26 und einer horizontalen Gusseisenschicht 28, wobei die Dicke d des Gusseisenmantels ungefähr der Dicke h der horizontalen Gusseisenschicht entspricht.

[0024] Die Befestigung des Gusseisens in der Kohlenstoffanode erfolgt durch eine am Boden 22 des Zapfenlochs umlaufende keilförmige Ringnut 30, welche als Hinterschneidung wirkt.

[0025] In Fig. 2 wird die Befestigung eines rechtwinkligen Anodenspatens 12 in einem entsprechenden Spatenloch 16 gezeigt. Der für die horizontale Gusseisenschicht der Dicke h vorgesehene Spalt wird durch die Ausbildung von Nocken 32 an der Unterseite 34 des Spatens 12 erhalten, welcher auf dem Boden 24 aufliegt.

[0026] Zur Befestigung der Gusseisenschicht in der Kohlenstoffanode 18 ist ein im mittleren bis unteren Bereich des Spatenloches ausgebildetes Widerlager 38 ausgebildet, in welchem ein entsprechender Teil des Gusseisens erstarrt.

[0027] In der Befestigung nach Fig. 3 eines Anodenzapfens ist der Boden 22 des Zapfenloches 14 leicht konkav ausgebildet. Die Unterseite 36 des Zapfens 10 liegt auf einem Eisenstück 40 auf und bildet so nach dem Eingiessen des Gusseisens eine horizontale Gusseisenschicht der Dicke d. Die Seitenwand 44 des Zapfenlochs 14 ist umlaufend von unten nach oben verjüngt ausgestaltet und bildet co eine Befestigung des Gusseisenmantels 26 in der Kohlenstoffanode 14.

[0028] In Fig. 4 wird die Befestigung eines.Anodenzapfens 10 gezeigt, bei der als seitliches Widerlager drei Spiralnuten 42 dienen. Der Querschnitt der Nuten ist im wesentlichen schwalbenschwanzförmig mit stark abgerundeten Ecken.

[0029] In allen Ausführungsformen nach der Erfindung wird wohl für die erste Bestückung etwas mehr Gusseisen als bei bisher üblichen Verfahren gebraucht. Die während des Elektrolyseprozesses genügend starke Verbindung zwischen dem Gusseisen und dem Zapfen bzw. Spaten kann mit einer Abstreifvorrichtung gelöst und das vor oder nach dem Abstreifen gereinigte Gusseisen durch Einschmelzen der Wiederverwertung zugeführt werden.

Ansprüche

1. Befestigung von Anodenzapfen bzw. -spaten in einer Kohlenstoffanode von Schmelzflusselektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium, bestehend aus einem mit dem Unterteil des Anodenzapfens bzw. -spatens verbundenen Gusskörper, der aus einer in mindestens teilweise seitlich hinterschnittene Zapfen- bzw. Spatenlöcher der Anode eingegossenen und erstarrten Gusseisenmasse gebildet ist,
gekennzeichnet durch
eine zwischen dem Boden (22, 24) der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) und der Unterseite (34, 36) der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) angeordnete, wenigstens einige Millimeter dicke horizontale Gusseisenschicht (28).

2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des seitlichen Gusseisenmantels (26) ungefähr der Dicke (h) der horizontalen Gusseisenschicht (28) von mindestens 5 mm, vorzugsweise 10 - 15 mm, entspricht.

3. Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (22) der Zapfenlöcher (14) bombiert ausgebildet ist.

4. Befestigung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (22, 24) aus Kohlenstoff der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) wenigstens eine die Dicke (h) der horizontalen Gusseisenschicht (28) bestimmende Ausformung (20) mit geringer Grundrissfläche hat.

5. Befestigung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (34, 36) der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) wenigstens einen die Dicke (h) der horizontalen Gusseisenschicht (28) bestimmenden Nocken (32) hat.

6. Befestigung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Unterseite (34, 36) der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) und dem Boden (22, 24) der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) wenigstens ein vor dem Eingiessen beigegebenes, die Dicke (h) der horizontalen Gusseisenschicht (28) bestimmendes Eisenstück (40) angeordnet ist.

7. Befestigung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Hinterschneidungen der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) in Form von sich nach oben verjüngenden Seitenwänden (44), Horizontalnuten (30, 38) oder bei runden Anodenzapfen (10) wenigstens drei Spiralnuten (42) mit einer nicht unter 70° liegenden Steigung ausgebildet sind.

8. Verfahren zur Befestigung von Anodenzapfen bzw. -spaten in Kohlenstoffanoden nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Unterseiten (34, 36) der vorgewärmten Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) im vertikalen Abstand (h) vom Boden (22, 24) der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) und seitlichen Abstand (d) fixiert werden, und das in die Zwischenräume eingegossene Gusseisen die Anodenzapfen bzw. -spaten auf über 400°C erwärmt, wobei die Masse des eingegossenen Gusseisens (26, 28) kleiner ist als die Masse des zu umhüllenden Unterteils der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) auf 100 - 300°C vorgewärmt werden, die Eingiesstemperatur des Gusseisens 1200 - 1350°C beträgt, das Massenverhältnis des Gusseisens (26, 28) zu dem zu umhüllenden Unterteil der Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) zwischen 0,5:1 und 1:1 liegt und der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) der Kohlenstoffänode (18) auf 80 - 200°C vorgewärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenzapfen bzw. -spaten (10, 12) auf 150 - 270°C vorgewärmt werden, das Gusseisen eine Eingiesstemperatur von ca. 1300°C hat und der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (14, 16) der Kohlenstoffanode (18) auf ca. 100°C vorgewärmt wird.

Zeichnung