Schutzmanschette

Abstract

 Eine Manschette zum Schutz des Eisenspatens einer Anodenstange für einen Kohleblock der als Anode zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium dient, besteht aus mehreren Kohlekörpern (1, 2) mit je zwei formschlüssig aufeinanderstossenden Stirnflächen (3, 4 und 5, 6) und entsprechend dem Spaten-bzw. Zapfenquerschnitt angepassten Ausnehmungen (7, 8), die den aus dem Kohlekörper ragenden Spaten bzw. Zapfen (9) umgreifen, und dessen Bodenflächen (10, 11) eine Ebene bilden, welche sich in Kontakt mit der Kohleanode befindet.
Die Kohlekörper (1, 2) werden aus·60-90 Gew.- % kohlestoffhaltigem Feststoff und 10-40 Gew.-% Bitumen als Bindemittel hergestellt.
Die Schutzmanschetten weisen wegen ihres geringen Porenvolumens eine geringe Aufnahmefähigkeit für Natrium und günstiges Abbrandverhalten während des Elektrolyseprozesses auf.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Manschette zum Schutz des Eisenspatens einer Anodenstange für einen Kohleblock, der als Anode zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium dient.

[0002] Gebrannte Kohleelektroden für die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium in einem Fluoridelektrolyten sind meist mit Anodenstangen mit zwei oder vier Spaten bzw. Zapfen aus Eisen versehen, die in den oberen Teil der Kohleanode eingesetzt und z.B. durch Eingiessen von flüssigem Eisen daran befestigt werden.

[0003] Die Kohleanode, die beispielsweise einen Querschnitt von etwa 500x1500 mm und eine Höhe von 400-550 mm aufweist, wird mittels der Eisenspaten mit den Anodenstangen und damit mit der Stromzuführung durch Anklemmen verbunden.

[0004] Nach dem Einsetzen der Kohleanode in den Elektrolyseofen erwärmt sich deren Kopf auf etwa 180°C. Nach ungefähr 6 Tagen ist die Temperatur auf etwa 400-500°C im Mittel gestiegen. Wegen des Abbrands durch den bei der Elektrolyse freigesetzten Sauerstoff muss die Kohleanode ca. 15-20 mm/Tag gesenkt werden. Nach diversen Absenkungen liegt sie schliesslich so tief, dass auch die eingesetzten eisemen Spaten unterhalb der Oberfläche des schmelzflüssigen Elektrolyten liegen. Das von der Kohlemasse umgebene Ende des Spatens ist von dieser Masse geschützt, nicht aber der aus der Anode herausragender Teil. Damit dieser nicht abzundert und sich nicht im Elektrolyten teilweise auflöst, muss auch der aus der Anodenkohle herausragende Teil des Eisenpatens geschützt werden. Dies wird mit Hilfe von Kunstkohlematerialien erreicht, indem diese in einer Hülle, die um die Eisenspaten in einer Vertiefung der Anode eingesetzt ist, eingefüllt wird.

[0005] Als Hülle eignet sich eine Art Manschette aus Karton oder Aluminiumblech, weiche zwei gegenüberstehende nach innen ragende Seitenteile aufweisen kann (DE-AS 27 56 756), so dass diese klemmend auf den Eisenspaten aufliegen.

[0006] Das Füllmaterial besteht aus Körnungen von Anthrazit, Graphit, Petrolkoks, Pechkoks, metallurgischem Koks und/oder Auskleidungs-bzw. Eiektrodenresten, das mit Hilfe von Steinkohlenteerpech als Bindemittel zu einem Granulat oder einer Paste verarbeitet wird. Während des Einsatzes der Kohleanode kalziniert das Füllmaterial, wobei Bindemitteldämpfe entweichen und ein Volumenschwund um ca. 50 % stattfindet.

[0007] Diese und ähnlich bekannte Vorrichtungen zum Schutz der Spaten bzw. Zapfen haben jedoch Nachteile. Durch die starke Schwindung während des Kalzinationsprozesses wird die Schutzwirkung der Manschette erheblich veringert. Darüber hinaus nimmt die nach dem Kalzinationsprozess relativ poröse Manschette während des Elektrolyseprozesses verstärkt Natrium auf. Aber auch die Handhabung der Manschette vor dem bestimmungsgemässen Einsatz ist mit Nachteilen verbunden.

[0008] Die Manschette verschiebt sich leicht trotz der der Justierung dienenden Seitenteile aus ihrer zugewiesenen Position, mit der Folge, dass nach dem Einfüllen des Füllmaterials nicht überall der vorgesehene Abstand zum Spaten gewährleistet ist oder die Manschette nicht mehr satt auf dem Anodenblock aufliegt und dadurch das Füllmaterial unter der Manschette heraus rinnt. Ferner kommt es häufig zu einer Beschädigung der Manschette und Verschüttung des Füllmaterials auf dem Transportweg von der Einfüllstation zur Elektrolysezelle.

[0009] Ausserdem wirkt sich nachteilig aus, dass bei Verwendung von Füllmaterial in Granulatform dieses auch im Laufbereich der Arbeiter verloren geht und zu Boden fällt, wodurch die Gefahr des Ausrutschens der Arbeiter auf den kugelförmigen Partikeln gegeben ist.

[0010] Aber auch die Verwendung von Steinkohlenteerpech ats Bindet zur Herstellung der Füllmasse ist nachteilig. Verschiedene Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass Steinkohlenteerpech polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, die bei der Herstellung und/oder beim Betrieb von daraus hergestellten refraktären Materialien gasförmig entweichen. Die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe können krebsauslösend sein. Die bei der Herstellung oder Verwendung eingangs genannter Füllmaterialien mit Steinkohlenteerpech als Bindemittel entstehenden Bindemitteldämpfe sind daher geeignet, gesundheitsschädigend auf Mensch und Umwelt einzuwirken. Der mit oben beschriebenen Tätigkeiten betraute ohnehin schon durch Staubanfall bei der Füllmaterialherstellung und Lärm belästigte Arbeiter wird dadurch noch zusätzlich gefährdet.

[0011] Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Manschette zum Schutz des Eisenspatens einer Anodenstange für einen Kohleblock, der als Anode zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, dient zu schaffen, welche die oben erwähnten Nachteile mindestens teilweise nicht aufweist, aber dennoch auf einfache und wirtschaftliche Art hergestellt werden kann.

[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Manschette mehrere, insbesondere zwei Kohlekörper mit je zwei formschlüssig aufeinanderstossenden Stirnflächen und entsprechend dem Spaten-bzw. Zapfenquerschnitt angepassten Ausnehmungen, die den aus dem Kohlekörper ragenden Spaten bzw. Zapfen umgreifen, und Bodenflächen, die eine Ebene bilden, welche sich in Kontakt mit dem Kohleblock befindet, aufweist.

[0013] Als äussere Umgrenzung der Manschette ist im Prinzip jede geeignete, d.h. die Elektrolyseofenbedienung nicht hindernde Form denkbar; einfache Formen wie Rechtecke, Rauten, Kreise oder Kombinationen dieser Formen wie z.B. Raute und Rechteck werden jedoch bevorzugt. Die Höhe der Manschette ist den Massen des Spatens bzw. Zapfens sowie der Kohleanode und deren Einsatz entsprechend anzupassen und kann im Extremfall gleich der gesamten aus der Anode herausragenden Spaten-bzw. Zapfenlänge sein. Eine für die Erfinung typische Manschette hat etwa eine Höhe von 200 mm bei einer Länge von 260 mm und einer Breite von 220 mm.

[0014] Nach einer Weiterbildung der Erfindung greifen die Stirnflächen der Kohlekörper falzartig ineinander. Zur besseren Positionierung können die Stirnflächen und/oder die Bodenflächen mit einem Klebefilm versehen werden. Besonders geeignet ist ein Kleber, der bei Raumtemperatur noch keine Klebeigenschaften aufweist und dadurch die Handhabung der Kohlekörper nicht beeinträchtigt, jedoch nach Positionie rung der Kohlekörper um die Spaten bzw. Zapfen diese bei geringer Temperaturerhöhung zu einem einzigen Körper, der Manschette, verklebt und dieser gegebenfalls wiederum mit dem Kohleblock verklebt. Als besonders geeigneter Kleber hat sich ein niedrig viskose Bitumen herausgestellt. Unter Bitumen wird hier und nachfolgend die nach DIN 55946 gegebene allgemeine Definition verstanden.

[0015] Zur Unterstützung des Zusammenhalts der Kohlenkörper können zusätzlich .die Kohlekörper übergreifende Spangen, insbesondere solche aus Aluminiumblech, angebracht sein. Aluminium eignet sich besonders gut, denn das abschmelzende Metall verunreinigt das Elektrolysebad nicht und wird während der Elektrolyse wieder zurückgewonnen.

[0016] Zur Fertigung der einzelnen Kohlekörper der Manschette hat es sich als günstig erwiesen, eine kohlenstoffhaltige Masse zu wählen, die zu 60-90 Gew.-% aus kohlenstoffhaltigem Feststoff in der an sich üblichen Granulometrie und 10-40 -Gew.-% Bitumen als Bindemittel besteht. Eine besonders geeignete Kohlenstoffmasse zur Herstellung der Kohlekörper wird erzielt, wenn der eben genannte Bitumenanteil zu 70-90 Gew.-% aus Hartbitumen und 10-30 Gew.-% Weichbitumen besteht.

[0017] Als Hartbitumen wird hier ein Bitumen mit einem Erweichungspunkt nach Ring und Kugel von etwa 80-110°C, als Weichbitumen eines von etwa 40-65°C verstanden, wobei die Dichte der beiden Bitumensorten nicht über 1,1 g/cm' (bei 25°C) liegt.

[0018] Im Gegensatz zu Steinkohlenteerpech enthält Bitumen polycy clische aromatische Kohlenwasserstoffe nur in ausserordentlich kleiner, für die Gesundheit des Industriearbeiters nicht schädlicher, Konzentration.

[0019] Insbesondere sind die polycyclischen Aromate der Ringzahl 4-6 in den während der Aufwärmphase des Bitumens entstehenden Bindemitteldämpfen nicht zu erwarten. Die entweichenden Dämpfe bestehen vorwiegend aus Naphtenoaromaten und Alkylarylen. Eine karzinogene Gesundheitsgefährdung ist deshalb weder bei der Herstellung der Kohlenstoffmasse noch bei deren Weiterverarbeitung zu den Kohlekörpern bzw. Manschetten oder deren Verwendung gegeben.

[0020] Desweiteren werden praktisch alle anderen vorgenannten Nachteile vermieden.

[0021] Die Kohlekörper werden hergestellt, indem die Kunststoffmasse in geeignete Formen gegeben wird und in an sich üblicher Weise auf eine Rohdichte von etwa 1.5-1.7 g/cm' verdichtet wird. Während des Einsatzes im Elektrolyseprozess kalziniert die aus diesen einzelnen Kohlenkörpern gefertigte Manschette unter einen nur sehr geringen Volumenschwund (ca. 6 %). Durch die Vorverdichtung der Kohlenstoffmasse ist das Porenvolumen sehr viel geringer als bei nach dem Stand der Technik gefertigten Manschetten. Dadurch wird die Natriumaufnahme derart reduziert, dass die nach Einsatz in der Elektrolyse verbleibenden Manschettenreste wieder zu neuen Manschetten oder Kohleanodenblöcken verarbeitet werden können. Dies war bei den nach dem Stand der Technik gefertigten Schutzvorrichtungen bedingt durch die hohe Natriumaufnahme nur unter Inkaufnahme von Qualitätseinbussen möglich.

[0022] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich anhand der folgenden Ausführungsbeispiele. Es zeigen schematisch in

Fig. 1 und 2: Schutzmanschetten in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 und 4: Vertikalschnitte durch Anodenblöcke mit aufgesetzten Schutzmanschetten.

[0023] 

Die Figur 1 zeigt eine Schutzmanschette von rechteckiger Umgrenzung, bestehend aus zwei Kohlekörpern 1 und 2. Jeder Kohlekörper hat zwei Stirnflächen 3 und 4 bzw. 5 und 6, von denen in der Figur nur die Spuren auf der Oberseite und teilweise an der Seite zu sehen sind, und eine geradlinige, U-förmige Ausnehmung 7, 8. Die Ausnehmung ist geringfügig grösser als die entsprechende Dimension des Eisenspatens. In dem durch die Ausnehmungen 7, 8 gebildeten Kanal von rechteckigem Querschnitt befindet sich der nicht dargestellte Anodenspaten. Dieser hat einen gleichen, jedoch geringfügig kleineren Querschnitt. Die Stirnflächen 3, 4 bzw. 5, 6 sind falzartig ausgebildet. Eine anders geartete Ausbildung liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, denn eine derartige Ausbildung hat den Zweck, dass die einzelnen Kohlekörper 1, 2 beim Umlegen um den Eisenspaten leicht in die richtige Position gebracht werden können. Zur Sicherung einer solchen Position können auf die beiden Kohlekörper 1, 2 übergreifende Spangen 12, 13 angebracht werden. Dies ist dann besonders von Vorteil, wenn die formschlüssig aufeinanderstossenden Sfimflächen 3, 4 und 5, 6 nicht verklebt werden.

Figur 2 zeigt eine im Prinzip gleiche Schutzmanschette wie Figur 1. Die Umgrenzung stellt jedoch eine Kombination von Rechteck und Raute dar und die Ausnehmungen 7, 8 sind halbkreisförmig, was diese Ausführungsform für Zapfen besonders geeignet macht, weil die Zapfenquerschnitte üblicherweise kreisförmig sind.

Figuren 3 und 4 zeigen Anoden mit unterschiedlich aufgeführten Spaten-bzw. Zapfenlöchern. In Figur 3 hat die Anode 19 ein Zapfenloch 20, das vollständig vom Anodenspaten 9 ausgefüllt ist. Der Kohlekörper 2 der Manschette mit seinen Stirnflächen 5 und 6 umgreift den Spaten 9 und liegt mit der Bodenfläche 11 auf der Anode 19 auf. Der Kohlekörper 2 umgreift den freien Teil des Spatens 9 bis zu seiner vollen Höhe h.

In Figur 4 ist das Zapfenloch 20 stufenförmig ausgebildet, wobei der untere, engere Teil zur Befestigung des Spatens 9 dient und der noch verbleibende Raum durch den Kohlekörper 2 ausgefüllt wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die erfindungsgemässe Schutzmanschette auch bei Spaten-bzw. Zapfenlöchern, wie sie häufig bei Verwendung von Metaiimanschetten nach dem Stand der Technik in Gebrauch sind, verwendet werden kann.

Beispiel

[0024] Zur Herstellung der Kunststoffmasse werden 67 Gew.-% Petrolkoks, 17 Gew.-% Manschettenreste aus einem Elektrolyseeinsatz, 14 Gew.-% Hart-und 2 Gew.-% Weichbitumen verwendet. Der Feststoff hat folgende Kornverteilung - (Siebanalyse): > 8 mm: 5 Gew.-%. 3-8 mm: 24 Gew.-%, 1-3 mm: 22 Gew.-%, < 1 mm: 49 Gew.- %. Die Feststoffe werden auf 160°C vorgewärmt und homogen durchmischt. Dann wird das auf 190°C erwärmte Hartbitumen, anschliessend das auf 90°C erwärmte Weichbitumen langsam kontinuierlich zugegeben, wobei sich die Feststoffpartikei mit dem Bindemittel umhüllen. Während der Zugabe des Bindemittels und etwa noch 20 Minuten danach wird die Masse intensiv weitergemischt. Nach Abkühlung der Masse auf eine je nach Presse geeignete Temperatur wird diese zu den erfindungsgemässen Kohlekörpem mit einer zwischen 1.5-1.7 g/cm³ liegenden Rohdichte verpresst.

Ansprüche

1. Manschette zum Schutz des Eisenspatens einer Anodenstange für einen Kohleblock, der als Anode zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium dient,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese mehrere, insbesondere zwei Kohlekörper (1, 2) mit je zwei formschlüssig aufeinanderstossenden Stimflächen (3, 4 und 5, 6) und entsprechend dem Spaten-bzw. Zapfenquerschnitt angepassten Ausnehmungen (7, 8), die den aus dem Kohlekörper ragenden Spaten bzw. Zapfen - (9) umgreifen und Bodenflächen (10, 11), die eine Ebene bilden, welche sich in Kontakt mit der Kohleanode befindet, aufweist.

2. Manschette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlekörper (1, 2) den Spaten bzw. Zapfen (9) in der Höhe (h) teilweise umgreifen.

3. Manschette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (3, 4 und 5, 6) falzartig ineinandergreifen.

4. Manschette nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlekörper (1, 2) zusätzlich Spangen (12, 13), insbesondere Spangen aus Aluminiumblech, aufweisen, die die Kohlekörper zusammenhalten.

5. Manschette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlekörper (1, 2) zu 60-90 Gew.-% aus kohlenstoffhaltigem Feststoff und 10-40 Gew.-% Bitumen als Bindemittel bestehen.

6. Manschette nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zu 70-90 Gew.-% Hartbitumen und 10-30 Gew.-% aus Weichbitumen besteht.

7. Manschette nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohdichte der Kohlekörper (1, 2) zwischen 1.5-1.7 g/cm³ liegt.

8. Manschette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (3, 4 und 5, 6) und/oder Bodenflächen (10, 11) mit einem Klebefilm versehen sind.

9. Manschette nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebefilm aus einem niedrig viskosen Bitumen besteht.

Zeichnung