Auskleidung für Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium

Abstract

 Wanne für die schmelzflußelektrolytische Herstellung von Aluminium mit einer aus Graphitblöcken bestehenden Auskleidung und einer zwischen Auskleidung und Wanne angeordneten wärmedämmenden Isolationsschicht. Verwendet wird eine Graphitsorte, die in Verbindung mit der Isolationsschicht für die Auskleidung einen kleinen, sich im Betrieb nicht ändernden Spannungsabfall ergibt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wanne für die schmeLzfLußelektrolytische HersteLLung von ALuminium, die aus einer mit GraphitbLöcken ausgekleideten Stahlwanne, einer wärmedämmenden IsoLationsschicht zwischen Wanne und Auskteidung und in die AuskLeidung eingelassene kathodische Stromzuführungen besteht.

[0002] ZeLLen für die Gewinnung von ALuminium durch ELektroLyse von ALuminiumoxid, das in einer FLuorid-SchmeLze gelöst ist, bestehen aus einem wannenförmigen kathodischen TeiL, der den schmelzflüssigen ELektroLyten und das kathodisch abgeschiedene schmelzflüssige ALuminium aufnimmt. MetalLische Werkstoffe sind unter der ELektroLyttemperatur von 940 bis 980 °C gegen den ELektroLyten und die ELektroLyseprodukte nur begrenzt beständig und müssen daher gegen den Angriff von ELektroLyt und ELektroLyseprodukten geschützt werden. Der kathodische TeiL der ELektroLysezeLLe besteht daher üblicherweise aus einer Wanne oder einem Trog aus StahL, der mit einem temperatur- und korrosionsbeständigen Werkstoff ausgekleidet ist. Die AuskLeidung verbindet zugleich die eiqentliche, aus schmelzflüssigem Aluminium bestehende Kathode mit den kathodischen Stromzuführungen, so daß der Werkstoff auch ein guter eLektrischer Leiter sein muß. Man verwendet daher für die Auskleidung der Wanne fast ausschließlich KohLenstoff- und Graphitblöcke, die durch kohlenstoffhaltige Stampf- und Kittmassen miteinander verbunden sind und eine gegen schmelzflüssiges MetaLL und ELektroLyt undurchlässige. Schicht bilden.

[0003] Die Funktionstüchtigkeit der AuskLeidung wird im wesentLichen durch ihre chemische und thermische Beständigkeit und ihren elektrischen Widerstand bestimmt. Beim Betrieb der ELektroLysezeLLe wird in der AuskLeidung Joulesche Wärme entwickelt, die zu einem Teil für die EinsteLLung der Elektrolysetemperatur nötig ist. Wegen der Temperaturdifferenz zwischen ELektroLyt und Wanne sind größere EnergieverLuste durch Wärmeleitung nur vermeidbar, wenn der Wärmewiderstand der Auskleidung sehr groß ist. Zur Verringerung der VerLuste ordnet man üblicherweise zwischen der AuskLeidung aus KohLenstoff- oder GraphitbLöcken und der Wanne eine wärmedämmende Schicht aus keramischen Isolierstoffen an. ObgLeich AuskLeidung und wärmedämmende Schicht eine funktioneLLe Einheit sind, hat man bisher nicht erkannt, daß AuskLeidung und wärmedämmende IsoLierschicht nur dann eine für den ELektrolysebetrieb vorteilhafte Einheit bilden, wenn die Stoffeigenschaften und die geometrische AusLegung aufeinander abgestimmt sind. Der Austausch von KohLenstoffblöcken durch GraphitbLöcke ohne gleichzeitige Änderung der Wärmeisolation hat aus diesem Grund keine größere Wirkung, obwohl Graphit einen vergleichsweise kleineren elektrischen Widerstand hat und gegen den ELektroLyten beständiger als KohLenstoff ist. So ist es beispielsweise durch die US-PS 3 369 986 bekannt, die Wanne alternativ mit Kohlenstoffblöcken und GraphitbLöcken ohne Änderung der WärmeisoLation auszukleiden, obwohl der elektrische Widerstand der AuskLeidung sich etwa wie 4 : 1 und der gemessene SpannungsabfaLL in der AuskLeidung etwa wie 2,5 : 1 verhält. Nach der DE-PS 21 05 247, wird die kathodische Stromdichte durch eine AuskLeidung verbessert, die Kohlenstoffblöcke und GraphitbLöcke enthält. Statt der GraphitbLöcke verwendet man auch kohlenstoffgebundene GraphitbLöcke (Semigraphit, Hartgraphit), ohne daß Geometrie und Art der Wärmeisolierung an die geänderten Stoffeigenschaften angepaßt sind. Es ist auch bekannt, daß im wesentlichen aus PetroLkoks bestehende und auf eine hohe Temperatur, bevorzugt wenigstens 2000 °C , erhitzte BLöcke eine besonders günstige Beständigkeit gegen den ELektroLyten haben (DE-OS 21 12 287). Die Eigenschaften dieser BLöcke sind etwa: Rohdichte - 1,57 g/cm³, Porosität - 27 %, spez. elektrischer Widerstand - 14 uΩm. über die Beschaffenheit der wärmedämmenden Schicht ist nichts bekannt geworden.

[0004] Die wärmedämmende Schicht besteht üblicherweise aus feuerfesten Steinen oder PuLvern in einer Dicke zwischen 50 und 250 _mm (US-PS 3 434 957) und es ist auch bekannt, die wärmedämmende Schicht aus mehreren EinzeLschichten zusammenzusetzen (US-PS 3 723 286). SchLießLich ist es bekannt, die Temperaturgradienten zwischen Boden und Seitenteil der AuskLeidung durch besondere IsoLiereLemente zwischen diesen TeiLen zu ändern (US-PS 4 118 304). Diese Maßnahmen sind nicht auf die stoffliche QuaLität der Auskleidung abgestimmt und ihre Wirkungen entsprechend begrenzt.

[0005] Der Erfindung Liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch die Abstimmung von wärmedämmender Schicht und einer Auskleidung aus Graphitsteinen die Lebensdauer von ELektroLysezellen zur Erzeugung von Aluminium zu verlängern und den Energiebedarf zu senken.

[0006] Die Aufgabe wird mit einer ausgekleideten Wanne der eingangs genannten Art gelöst, die

a) mit GraphitbLöcken ausgekleidet ist, die eine WärmeLeitfähigkeit von 80 bis 120 W/m · K, einen spez. elektrischen Widerstand von 6 bis 12 uΩm und ein zugängliches PorenvoLumen von höchstens 22 % haben,

b) eine aus wenigstens zwei Teilschichten mit einer WärmeLeitfähigkeit von 0,1 bis 0,2 und 0,8 bis 1,2 W/m · K bestehende wärmedämmende IsoLierschicht enthält und

c) ein DickenverhäLtnis von AuskLeidung und IsoLierschicht von 1,5 bis 3,0 hat.

[0007] Nach einer bevorzugten AusbiLdung der Erfindung beträgt die zugängliche Porosität der GraphitbLöcke höchstens 18 % und nach einer anderen Ausführungsform ist die WärmeLeitfähigkeit 100 bis 120 W/m · K und der spez. elektrische Widerstand 6 bis 10 u Ω m. Besonders geeignet sind auch Graphitblöcke, die mit einem carbonisierbaren Imprägniermittel imprägniert und zur PyroLyse des Imprägniermittels auf etwa 700 bis 1000 °C erhitzt worden sind. Als Imprägniermittel eignen sich besonders SteinkohLenteerpeche und PetroLpeche. Die wärmedämmende IsoLationsschicht besteht vorteilhaft aus Schamotte, deren Druckfestigkeit mehr aLs 10 MPa beträgt.

[0008] Unter dem Terminus "Graphit" versteht man KohLenstoffkörper, die einer GraphitierungsbehandLung unterworfen und dabei auf eine Temperatur oberhalb etwa 2500 °C erhitzt wurden. Das Ergebnis dieser BehandLung hängt wesentLich von den Ausgangsprodukten, z.B. Art des verwendeten Kokses, und den Herstellungsparametern ab, z.B. das Formungsverfahren, so daß die als Graphit bezeichneten Produkte nur zu einem kleinen TeiL den Anforderungen in einer ZeLLe zur schmelzflußelektrolytischen HersteLLung von ALuminium gewachsen sind. Es wurde gefunden, daß der für diesen Zweck brauchbare TeiL der Werkstoffgruppe Graphit mit HiLfe seiner Stoffeigenschaften ausgesondert werden kann.

[0009] Zur HersteLLung der GraphitbLöcke werden in bekannter Weise Petrolkoks, Anthracit und andere im wesentlichen aus KohLenstoff bestehende Stoffe zusammen mit einem carbonisierbaren Binder gemischt, die Mischung wird zu BLöcken geformt und die BLöcke in einer ersten Stufe zur Carbonisierung des Binders auf etwa 1000 °C und in einer zweiten Stufe auf 2600 bis 3000 °C erhitzt. Durch die Verwendung von Rohstoffen mit vorgeordneten StruktureLementen und die Anwendung höherer Temperaturen erhäLt man GraphitbLöcke mit vergleichsweise hoher WärmeLeitfähigkeit und einem kleinen spezifischen elektrischen Widerstand. Nach der Erfindung beträgt die Wärmeleitfähigkeit der BLöcke 80 bis 120 W/m · K und der spezifische elektrische Widerstand 6 bis 13 uΩm. Der vergleichsweise kleine Widerstand bewirkt eine wesentliche Senkung des SpannungsabfaLLs in der Auskleidung, in der entsprechend weniger Joulesche Wärme erzeugt wird. Durch die große WärmeLeitfähigkeit der GraphitbLöcke werden größere, gegebenenfalls die Lebensdauer der ZeLLe beeinträchtigende Temperaturdifferenzen in der AuskLeidung ausgeschlossen und in Verbindung mit der thermischen IsoLierschicht wird ein stärkerer Energieabfluß aus dem schmelzflüssigen ELektroLyten vermieden. Der Effekt ist besonders günstig für Auskleidungen, die GraphitbLöcke mit einer WärmeLeitfähigkeit von 100 bis 120 W/m · K und einem spez. elektrischen Widerstand von 6 bis 10 /uΩ m enthalten. Es wurde schLießLich gefunden, daß zur ErzieLung einer großen Lebensdauer der ELektroLysezeLLe auch das offene, für die SchmeLze zugängliche PorenvoLumen der Graphitblöcke vermindert werden muß. Das zugängliche Porenvolumen soLL höchstens 22 % und nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung höchstens 18 % betragen. Es ist bekannt, für die Auskleidung der Wannen von ELektroLysezellen bestimmte KohLenstoff- und GraphitbLöcke mit FurfuroL oder FurfuryLaLkohoL zu imprägnieren und das Imprägniermittel in situ zu verkoken (US-PS 3 616 045). Durch dieses Verfahren wird das zugängliche PorenvoLumen verkleinert, die Größe des zugänglichen PorenvoLumens dieser BLöcke ist aber nicht bekannt. Zur Verringerung des zugänglichen PorenvoLumens ist besonders ein Verfahren geeignet, bei welchem der poröse Graphitkörper mit SteinkohLenteerpech oder PetroLpech imprägniert und zur Verkokung des Pechs auf etwa 700 bis 1000 C erhitzt wird. Der Graphitkörper enthält in den Poren einen Pechkoks, durch welchen die PermeabiLität des Körpers gesenkt und die mechanische BeLastbarkeit verbessert wird.

[0010] Die die AuskLeidung der Wanne bildenden GraphitbLöcke sind zweckmäßig fugenlos miteinander verklebt, wobei unter dem Begriff "fugenlos" Fugen mit einer Breite von höchstens 1 mm zu verstehen sind. ALs Fugenkitt eignen sich besonders die in der EP 00 27 534 beschriebenen pLastischen Massen. Die üblichen Fugen mit einer Breite von 20 mm und mehr sind SchwachsteLLen der AuskLeidung, die durch thermische Spannungen oder eindiffundierende SchmeLze Leicht zerstört werden.

[0011] Die Erfindung wird im folgenden anhand von BeispieLen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen -

Fig. 1 - einen Längsschnitt durch eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium,

Fig. 2 - den SpannungsabfaLL verschiedener AuskLeidungen als Funktion der Betriebszeit.

[0012] In Fig. 1 ist die Stahlwanne mit 1 bezeichnet. Die wärmeisolierende Schicht besteht aus den Teilschichten 2 und 3, deren Wärmeleitfähigkeit 0,1 bis 0,2 M/m · K und 0,8 bis 1,2 W/m · K beträgt. Das VerhäLtnis der Wärmedurchgangswiderstände der Schichten ist etwa 0,05. In die auf der Schicht 3 aufliegenden GraphitbLöcken 4 sind Strombarren oder Schienen 5 eingelassen. Die Wärmeleitfähigkeit der GraphitbLöcke beträgt 80 bis 120 W/m · K, der spezifische elektrische Widerstand 6 bis13 uΩm und das zugängliche PorenvoLumen höchstens 22 %. Das Dickenverhältnis der Graphitschicht 4 zur Summe der Schichten 2 und 3 ist 1,4 bis 1,6. Die GraphitbLöcke 4 kleiden den Wannenboden vollständig aus, die Wannenseitenflächen sind durch den BLock 6 abgeschirmt, der aus Graphit oder aus KohLenstoff besteht. Die eigentliche Kathode ist die ALuminiumschicht 7. Die Anoden 9 mit der anodischen Stromzuführung 10 tauchen in den schmelzflüssigen ELektroLyten 8 ein und sind durch die vorwiegend aus Tonerde bestehende Kruste 11 gegen den Angriff von Luftsauerstoff geschützt.

[0013] Der bei der Inbetriebnahme einer ZeLLe zur Gewinnung von ALuminium gemessene SpannungsabfaLL, ist im wesentlichen eine Funktion der AuskLeidung. Der SpannungsabfaLL einer AuskLeidung aus Kohlenstoffblöcken beträgt etwa 400 mV, einer AuskLeidung aus kohlenstoffgebundenen GraphitbLöcken etwa 300 mV und einer erfindungsgemäßen AuskLeidung aus GraphitbLöcken nur etwa 200 mV. Die Temperatur der Wanne beträgt für diese AuskLeidungen und einer wärmeisolierenden Schicht, gebildet aus zwei TeiLschichten A und B mit der WärmeLeitfähigkeit 1,0 und 0,1 W/m · K etwa 150 bis 50 °C (TabeLLe I).

[0014] Die geringen EnergieverLuste der erfindungsgemäßen Auskleidung Lassen sich naturgemäß nur realisieren, wenn die bei Inbetriebnahme der ELektroLysezeLLe gemessenen Kenngrößen sich während des Betriebs der ZeLLe nicht oder nur geringfügig ändern. In der Fig. 2 ist die Zunahme des SpannungsabfaLLs aLs Funktion der Betriebszeit dargestellt; A ist eine aus KohLenstoffbLöcken bestehende Auskleidung, B eine AuskLeidung aus kohlenstoffgebundenem Graphit und C eine aus GraphitbLöcken. Der Anstieg des SpannungsabfaLLs mit der Betriebszeit wird im wesentLichen durch die zunehmende Zersetzung und Zerstörung der AuskLeidung verursacht. Der ursprüngliche Vorteil erfindungsgemäßer AuskLeidungen bleibt beim Betrieb der ELektrolysezelle nicht nur erhalten, sondern vergrößert sich mit fortschreitender Betriebsdauer.

Ansprüche

1. Wanne für die schmelzflußelektrolytische HersteLLung von Aluminium, die aus einer mit GraphitbLöcken ausgekleideten Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolationsschicht zwischen Wanne und AuskLeidung und in die AuskLeidung eingelassene kathodische Stromzuführungen besteht,
dadurch gekennzeichnet,
_daß

a) die AuskLeidung aus GraphitbLöcken mit einer Wärmeleitfähigkeit von 80 bis 120 W/m · K, einem spezifisch elektrischen Widerstand von 6 bis 13 uΩm und einem zugänglichen PorenvoLumen von höchstens 22 % besteht,

b) die IsoLationsschicht wenigstens zwei TeiLschichten mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 bis 0,2 und 0,8 bis 1,2 W/m · K enthält,

c) das Dickenverhältnis von AuskLeidung und IsoLationsschicht 1,5 bis 3,0 beträgt.

2. Wanne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die GraphitbLöcke eine zugängliche Porosität von höchstens 18 % haben.

3. Wanne nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die GraphitbLöcke eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 120 W/m · K und einen spezifisch elektrischen Widerstand von 6 bis 10 uΩm haben.

4. Wanne nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die GraphitbLöcke durch Carbonisieren eines ImprägniermitteLs aus der Gruppe Steinkohlenteerpech, PetroLpech gebildeten Koks enthalten.

5. Wanne nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die IsoLationsschicht aus Schamotte mit einer Druckfestigkeit von wenigstens 10 MPa besteht.

Zeichnung