Verfahren zum Befestigen von Anodenblöcken an einer Anodenaufhängung

Abstract

 Bei der Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Aluminium eingesetzte Anodenblöcke (14) werden an den Zapfen bzw. Spaten (12) einer Anodenaufhängung mit einer Klebemasse (18) befestigt, die mindestens bei 900-1000 °C elektrisch gut leitend und mechanisch fest ist.
Die Zapfen bzw. Spaten werden auf 30-60 °C und/oder wenigstens der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (16) der Anodenblöcke (14) auf 25-40 °C vorgewärmt. Spätestens 60 Sekunden nach dem Einsetzen der Anodenaufhängung, d.h. nach dem Eintauchen der Zapfen bzw. Spaten (12) in die kalt eingefüllte Klebemasse (18), hat diese eine Temperatur von 25 °C überschritten. Das Einsinken der Zapfen bzw. Spaten (12) wird durch Vibrieren der Anodenblöcke und/ oder der Anodenaufhängung in kürzester Zeit ermöglicht.
Die Stabilisierung bis zum mindestens teilweisen Aushärten der Klebemasse (18) erfolgt vorzugsweise durch Verkeilen oder Verdornen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen von Anodenblöcken aus Kohlenstoff, die zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse eingesetzt werden, an den eisernen Zapfen bzw. Spaten einer Anodenaufhängung mit einer mindestens bei Temperaturen zwischen 900 und 1000°C elektrisch gut leitenden und mechanisch festen Klebemasse.

[0002] In der Aluminiumindustrie erfolgte die Anodenbefestigung über lange Jahre mittels Eingiessen mit Gusseisen oder Einstampfen mit einer graphithaltigen Spezialmasse.

[0003] Im Zeitalter der seitenbedienten, nicht gekapselten Elektrolysezellen wurde das Einstampfen trotz seiner Schwachstellen oft als wirtschaftlich optimale Lösung betrachtet. Wiederkehrende Qualitätseinbrüche bei der Stampfmasse und deren Temperaturempfindlichkeit sowie die hohen Anforderungen an die Zapfen- bzw. Spatentoleranzen führten oft zu Mängeln in der Anodenhaftung und in bezug auf deren elektrische Leitfähigkeit.

[0004] Inzwischen haben sich einige Randbedingungen geändert. Die Material- und Energiepreise sind drastisch angestiegen, und die verschärften Emissionsvorschriften lassen praktisch nur noch gekapselte, mittel- oder punktbediente Elektrolysezellen zu.

[0005] Damit hat die sichere, elektrisch gut leitende Anodenbefestigung in jüngster Zeit wesentlich an Bedeutung gewonnen, sowohl aus wirtschaftlichen wie auch aus betrieblichen Gründen.

[0006] Die alternativ angewandte Eingiesstechnik bringt diesbezüglich einige wesentliche Vorteile, es sind aber auch einige Schwachstellen zu überwinden:

- Die angestrebte Gusseisenzusammensetzung muss eingehalten und die Schmelze ständig kontrolliert werden.

- Spritzeisen oder Ueberlaufmetall kann, sofern es nicht sachgemäss entfernt wird, die Metallqualität verschlechtern.

- Induktionsöfen, Gussabstreifvorrichtung usw. bedingen höhere Investitions- und Energiekosten.

[0007] In der EP-A 27 534 wird eine kohlenstoffhaltige Kontaktmasse zur Bildung einer elektrisch gut leitenden Verbindung hoher Festigkeit zwischen höhere Temperaturen aufweisenden Elementen beschrieben. Die kalt verarbeitbare Masse besteht aus einem Gemisch aus Epoxidharz und Teer als Binder sowie Graphit- und Metallpulver als Feststoffe. Vor der Verwendung wird der Masse ein säurefreier Härter, z.B. ein Polyamin, zugesetzt. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit dieser Kontaktmasse entspricht der Leitfähigkeit von Kohlenstoffsteinen und eignet sich beispielsweise auch zum Verbinden von Anodenkörpern mit der Anodenaufhängung.

[0008] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, beim Befestigen von Anodenblöcken aus Kohlenstoff an den eisernen Zapfen bzw. Spaten der Anodenaufhängung durch Kleben die Viskosität und das Formfüllungsvermögen der Klebemasse zu verbessern, ohne dass ein vorzeitiges Aushärten eingeleitet wird. Dabei soll, insbesondere auch bei alten, stark abgenutzten Zapfen bzw. Spaten, einerseits in bezug auf die sichere Befestigung eine Ausschussquote von praktisch Null und andererseits in bezug auf den Uebergangswiderstand vom Zapfen bzw. Spaten zum Anodenkörper ein Wert kleiner als 50 µΩ erreicht werden.

[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

- die Zapfen bzw. Spaten der Anodenaufhängung auf eine Temperatur zwischen 30 und 60°C und/oder wenigstens der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher der Anodenblöcke auf eine Temperatur zwischen 25 und 40°C derart vorgewärmt werden, dass die Temperatur der kalt eingefüllten Klebemasse, bestehend aus einem Gemisch von pulverförmigen Feststoffen und einem carbonisierbaren Bindemittel, spätestens 60 Sekunden nach dem Einsetzen der Anodenaufhängung 25°C überschreitet,

- die Anodenblöcke gerichtet und die Anodenaufhän^gung mit den Zapfen bzw. Spaten auf die Klebemasse aufgesetzt werden,

- die Anodenblöcke und/oder die Anodenaufhängung vibriert werden, bis die Zapfen bzw. die Spaten durch Einwirkung des Eigengewichtes der Anodenaufhängung auf dem Boden des Zapfen- bzw. Spatenloches stehen, und

- die mit in vertikaler Lage stabilisierter Anodenaufhängung bestückten Anodenblöcke bis zum mindestens teilweisen Aushärten der Klebemasse gelagert werden.

[0010] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann dank der einfachen Anwendung der Klebetechnik auf das zum Eingiessen der Zapfen bzw. Spaten notwendige Giess- und Schweissequipment verzichtet werden.

[0011] Von mehreren Tausend bisher mit dem erfindungsgemässen Verfahren geklebten Anodenblöcken ist im Betrieb eine Ausschussquote Null erreicht worden. In Zellen zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse sind an Anoden Uebergangswiderstände zwischen 32 und 48 µΩ gemessen worden, damit ist auch das Ziel eines unter 50 µΩ liegenden Uebergangswiderstandes für den elektrischen Gleichstrom erreicht, was sich auf die Produktionskosten vorteilhaft auswirkt.

[0012] Zur Durchführung des Verfahrens muss nicht nur die Vorwärmtemperatur von Zapfen bzw. Spaten und/oder mindestens des Bereichs der Zapfen- bzw. Spatenlöcher der Anodenkörper optimiert werden, sondern auch deren Geometrie. In der Praxis werden Zapfen bzw. Spaten und Zapfen- bzw. Spatenlöcher so dimensioniert, dass zwei bis drei Kilogramm der Klebemasse in ein Loch eingefüllt werden. Bei eingesetzter Anodenstange, nach dem Vibrieren, erreicht die Klebemasse die Deckfläche des Anodenkörpers oder überragt diese etwas.

[0013] Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Klebemasse sind für das Gelingen des erfindungsgemässen Verfahrens von entscheidender Bedeutung. In der Praxis haben sich Klebemassen aus einem Gemisch von Feststoffen, einem Binder und einem Härter bewährt.

[0014] Vorzugsweise werden die in der EP-A 27 534 beschriebenen Kontaktmassen eingesetzt. Diese Klebemassen bestehen aus einem Gemisch von Graphit- und Metallpulver als Feststoffe, Epoxidharz und Teer als Binder sowie einem säurefreien Härter. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Gemisch von 65-84 Gew.-% Feststoffen, 15-30 Gew.-% Binder und 1-5 Gew.-% Härter erwiesen. Als Metallanteil der Feststoffkomponente - wichtig für den geringen elektrischen Widerstand - eignen sich beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium sowie deren Legierungen. Die Korngrösse des Metalls soll höchstens 1 mm betragen. Spanartige Kornformen haben sich als besonders geeignet erwiesen.

[0015] Bei der Auswahl des für die Festkörperkomponente auszuwählenden Metalls muss unter anderem auf die Qualität des herzustellenden Aluminiums geachtet werden. Muss eine sehr hohe Reinheit des Rohmetalls erreicht werden, ist der Einsatz von Eisen weniger günstig, es muss auf das nicht verunreinigende Aluminium zurückgegriffen werden.

[0016] Für das Vibrieren wird vorzugsweise eine im Bereich von 30-100 Hz liegende Frequenz angewendet. In der Praxis hat sich ein üblicher horizontaler Vibriertisch bewährt, auf welchem die Anodenblöcke vor dem Einsetzen der Anodenstangen gerichtet werden. Elektro-Aussenvibratoren mit Fliehkraftscheiben drehen beispielsweise mit einer Frequenz von 50 Hz und erreichen, bei einer Masse von 12 kg, eine Fliehkraft von 4200 N.

[0017] Nach dem Vibrieren wird zum Stabilisieren der Anodenstangen vorzuqsweise ein Keil oder Dorn zwischen eine Seitenwand des Zapfen- bzw. Spatenloches und den Zapfen bzw. Spaten geschlagen oder gepresst. Dazu sind insbesondere bekannte pneumatische oder hydraulische Vorrichtungen geeignet. Das Verdornen erfolgt insbesondere mit runden, beidseitig abgekröpften Aluminium- oder Eisenzylindern. Durch die beim Verteilen oder Verdornen entwickelte Klemmkraft werden die Anodenkörper derart stabil an der Anodenaufhängung befestigt, dass sie vor dem Aushärten der Klebemasse, unmittelbar nach Beendigung des Befestigungsverfahrens, daran aufgehängt und in Ruhelage gebracht werden können.

[0018] Wie bei konventionell durch Einstampfen oder Eingiessen befestigten Anodenkörpern kann um die herausragenden Zapfen bzw. Spaten zweckmässig ein Aluminiumkragen gelegt und der Innenraum mit einer während der Aluminiumelektrolyse kalzinierenden, kohlenstoffhaltigen Masse gefüllt werden. Dadurch werden die Zapfen bzw. Spaten vor Korrosieren geschützt.

[0019] Das Verfahren zum Befestigen von Anodenblöcken an der Anodenaufhängung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die schematischen Vertikalschnitte zeigen in

Fig. 1 eine vorgewärmte Anodenstange und zwei gerichtete Anodenblöcke,

Fig. 2 die eingesetzten Anodenspaten einer Doppelanode, und

Fig. 3 eine durch Verdornen von zwei Anodenblöcken stabiliserte Anodenstange.

[0020] In Fig. 1 ist der untere Teil einer als Anodenstange ausgebildeten Anodenaufhängung 10 mit vorgewärmten Spaten 12 dargestellt. Sie ist an einer nicht gezeichneten Haltevorrichtung aufgehängt und in die zwei gerichteten Anodenblöcke 14 mit je zwei ausgesparten Spatenlöchern 16 absenkbar. In die Spatenlöcher 16 ist vorher die Klebemasse 18, bestehend aus Feststoffen, Binder und Härter, eingefüllt worden. Die Anodenkörper 14 stehen auf einem Rütteltisch 20, der mit nicht dargestellten Elektro_-Aussenvibratoren bestückt ist.

[0021] Die Anodenstange 10 wird abgesenkt, bis sie auf der ruhenden Klebemasse 18 aufsitzt.

[0022] Dann werden, wie in Fig. 2 mit Pfeilen 22 dargestellt, die Elektro-Aussenvibratoren eingeschaltet, welche den Rütteltisch 20 und damit die Anödenkörper 14 in entsprechende Bewegung versetzen. Durch das Eigengewicht der Anodenstange 10 tauchen die Spaten 12 in die vibrierende Klebemasse 18 ein, erwärmen diese und gleiten, wie mit den Pfeilen 24 angeaeutet, nach unten, bis sie den Boden 26 der Spatenlöcher 16 erreicht haben. Zu diesem Zeitpunkt oder kurz nachher wird die durch die Elektro-Aussenvibratoren erzeugte Rüttelbewegung ausgeschaltet.

[0023] In Fig. 3 wird gezeigt, wie Dorne 32 zwischen die Seitenwand 28 des Spatenloches 16 und den Spaten geschlagen werden. Die durch den Pfeil 30 angedeutete Schlagbewegung wird durch eine hydraulische Vorrichtung ausgeübt.

[0024] Es versteht sich von selbst, dass in andern Ausführungsformen der Erfindung anstelle von Spaten 12 Zapfen, von Spatenlöchern 16 Zapfenlöcher und von Dornen 32 Keile eingesetzt werden können.

Beispiel 1

[0025] Zwei Anodenkörper von ca. 500 kg Gewicht werden auf einem Rütteltisch des Typs Würger HV 8/2 gerichtet. Die Anodenblöcke werden auf eine Temperatur zwischen 25 und 40°C vorgewärmt.

[0026] Mit einer Haltevorrichtung wird eine Anodenaufhängung mit vier entsprechend den Anodendimensionen und Zapfenlöchern angeordneten, eisernen Zapfen, die auf ca. 23°C vorgewärmt sind, beigebracht. Im gleichen Arbeitsgang werden je 2,5 kg einer kalten Klebemasse in die Zapfenlöcher gefüllt, welche in ihrer Zusammensetzung Beispiel 1 der EP-A 27 534 entspricht. Unmittelbar darauf wird die Anodenaufhängung abgesenkt, bis die vier Zapfen auf der Klebemasse liegen. Dann werden die Fliehkraftscheiben von 12 kg Masse der Elektro-Aussenvibratoren eingeschaltet und mit 50 Hz laufen gelassen. In wenigen Sekunden sinken die Zapfen infolge des Eigengewichtes der Anodenaufhängung zum Boden der Zapfenlöcher, die Klebemasse verteilt sich gleichmässig und füllt das Zapfenloch randvoll. Nach 60 Sekunden ist die Klebemasse auf eine Temperatur von 25-28°C erwärmt, worauf die Elektro-Aussenvibratoren durch einen Endschalter bekannter Bauart wieder ausgeschaltet werden.

[0027] Die mit der Anodenaufhängung bestückten Anodenkörper werden vom Rütteltisch entfernt und zur Aushärtung der Klebemasse zwei Tage gelagert.

Beispiel 2

[0028] Dieses Beispiel wird entsprechend Beispiel 1 durchgeführt. Anstelle von Anodenstangen mit Zapfen werden solche mit Spaten verwendet, die in entsprechende Spatenlöcher eingeführt werden. Das Vibrieren erfolgt über die Anodenstangen, mit einer Frequenz von 100 Hz.

[0029] Beim Einfüllen der kalten Klebemasse sind die Anodenblöcke und deren Spatenlöcher ebenfalls kalt. Die Spaten der Anodenstangen dagegen sind auf zwischen 40 und 60°C liegende Temperaturen vorgewärmt. Schon 50 Sekunden nach deren Eintauchen in die Klebemasse hat sich die Temperatur dieser Masse auf 38-52°C erhöht:

Ansprüche

1. Verfahren zum Befestigen von Anodenblöcken aus Kohlenstoff, die zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse eingesetzt werden, an den eisernen Zapfen bzw. Spaten einer Anodenaufhängung mit einer mindestens bei Temperaturen zwischen 900 und 1000°C elektrisch gut leitenden und mechanisch festen Klebemasse,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Zapfen bzw. Spaten (12) der Anodenaufhängung auf eine Temperatur zwischen 30 und 60°C und/oder 'wenigstens der Bereich der Zapfen- bzw. Spatenlöcher (16) der Anodenblöcke (14) auf eine Temperatur zwischen 25 und 40°C derart vorgewärmt werden, dass die Temperatur der kalt eingefüllten Klebemasse (18), bestehend aus einem Gemisch von pulverförmigen Feststoffen und einem carbonisierbaren Bindemittel, spätestens 60 Sekunden nach dem Einsetzen der Anodenaufhängung 25°C überschreitet,

- die Anodenblöcke (14) gerichtet, und die Anodenaufhängung (10) mit den Zapfen bzw. Spaten (12) auf die Klebemasse (18) aufgesetzt werden,

- die Anodenblöcke (14) und/oder die Anodenaufhängung vibriert werden, bis die Zapfen bzw. Spaten (12) durch Einwirkung des Eigengewichtes der Anodenaufhängung auf dem Boden (26) des Zapfen- bzw. Spatenloches (16) stehen, und

- die mit in vertikaler Lage stabilisierter Anodenaufhängung (10) bestückten Anodenblöcke (14) bis zum mindestens teilweisen Aushärten der Klebemasse (18) gelagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klebemasse (18), bestehend aus einem Gemisch von Feststoffen, einem Binder und einem Härter, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klebemasse (18), bestehend aus einem Gemisch von Graphit- und Metallpulver als Feststoffe, Epoxidharz und Teer als Binder sowie einem säurefreien Härter, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klebemasse (18), bestehend aus einem Gemisch von . 65-84 Gew.-% Feststoffen, 15-30 Gew.-% Binder und 1-5 Gew.-% Härter, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer im Bereich von 30-100 Hz, insbesondere bei 50 Hz, liegenden Frequenz vibriert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ^gekenn- zeichnet, dass die Anodenblöcke (14) beim Einsetzen der Anodenaufhängung (10) auf einem horizontalen Rütteltisch (20) gerichtet und vibriert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vibrieren, zum Stabilisieren der Anodenaufhängung (10), zwischen eine Seitenwand (28) des Zapfen- bzw. Spatenloches (16) und den Zapfen bzw. Spaten (12) ein Keil oder Dorn (32) geschlagen oder gepresst wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass um die aus dem Anodenkörper (14) herausragenden Zapfen bzw. Spaten (12) ein Aluminiumkragen gelegt und der Innenraum mit einer während der Aluminiumelektrolyse kalzinierenden, kohlenstoffhaltigen Masse gefüllt wird.

Zeichnung