Verankerung für einen Kathodenbarren

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Kathodenelement für eine Schmelzflusselektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, mit einem Kohleblock, indem ein Kathodenbarren in einer Nut verankert wird, wobei in jeder Seitenwand dieser Nut eine sich über die ganze Länge eines Blockes erstreckende Ausnehmung zur Aufnahme eines den Raum zwischen Barren und Nut ausfüllenden Gusseisenmantels ausgebildet 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 die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An diesen Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C0₂ und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970°C statt.

[0003] Der Kohleboden der Elektrolysezellen besteht aus Kathodenelementen, in welchen ein durchgehender oder ein in der Mitte getrennter Eisenbarren angeordnet ist. Um zu einer optimalen Stromausbeute der Zelle beizutragen, muss der elektrische Übergangswiderstand zwischen Eisenbarren und Kohleblock möglichst klein sein.

[0004] Die Verbindung zwischen Kohleblock und Eisenbarren kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch

- Einstampfen mit einer Stampfmasse

- Eingiessen mit Gusseisen

- Einkleben.

[0005] Die Kohleblöcke und die Eisenbarren finden sich in herkömmlichen Elektrolysezellen in verschiedensten Dimensionen in bezug auf Breite, Höhe, Länge und Nutform.

[0006] Beim Erstellen von Bodenkohleelementen bzw. von Kathodenelementen ist heute die Technik des Eingiessens weit verbreitet. Die in die Nut des Kohleblockes eingelegten Eisenbarren werden durch Umgiessen mitGusseisen mitderKohle verbunden. Die in die Nut eingelegten Eisenbarren werden gemeinsam mit der Kohle vorgewärmt und nach dem Eingiessen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Da die Wärmedehnung bzw. -kontraktion von Eisen ungefähr viermal grösser ist als diejenige von Kohle, entsteht bei der Abkühlung zwischen Kohle und Gusseisen ein Spalt. Ist das mit einem Eisenbarren versehene Kathodenelement in eine Elektrolysezelle eingebaut, so schliesst sich der Spalt erst während des Temperaturanstiegs bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle, womit ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen Eisen und Kohle entsteht.

[0007] Wird der durch die Kontraktion gebildete Spalt vor dem Erreichen der Arbeitstemperatur geschlossen, so kann der sich schneller ausdehnende Eisenbarren derart stark auf die Kohle der Kathodenelemente einwirken, dass in Längsrichtung der Kathode Risse entstehen können.

[0008] Das Schliessen des Spaltes, d.h. das Anpressen des Kathodenbarrens an die Kohle bei Inbetriebnahme der Zelle, hängt von verschiedenen Parametern ab, beispielsweise von der Form des Kohleblockes (Nut) und des Eisenbarrens, der Vorwärmtemperatur von Eisen und Kohle, der Vorwärmungsart, der Zusammensetzung und Eingiesstemperatur des Gusseisens. Häufig wird in einem Kohleblock eine Nut angeordnet, die im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. In diese Nut wird ein Eisenbarren eingelagert und mit Hilfe von eingegossenem Grauguss im Kohleblock verankert. Als nachteilig hat sich jedoch bei einer derartigen Verankerung der Kathodenbarren erwiesen, dass der bei Abkühlung durch schnellere Kontraktion des Graugusses und des Barrens entstehende Spalt zwischen dem Grauguss und den Wänden der Schwalbenschwanznut des Kohleblockes genügt, um eine geringfügige Verschiebung des in die Nut eingesetzten, von Grauguss umschlossenen Eisenbarrens erfolgen zu lassen, wenn beispielsweise das Kathodenelement von der Eingiess- in die Arbeitslage gedreht und/oder der Elektrodenblock beim Transport oder beim Verstampfen der Fugen- und Bordstampfmasse erschüttert wird. Dabei verengt sich der Spalt zwischen dem Grauguss und den Wänden der Schwalbenschwanznut unzulässig, d.h. er verkeilt sich, und das Eisen sprengt beim Aufwärmen die sich ungefähr viermal weniger ausdehnende Kohle.

[0009] Das in der Schwalbenschwanznut verkeilte Eisen kann wegen dem grossen Reibungskoeffizienten zwischen Eisen und Kohle kaum mehr in die Ausgangslage zurückgebracht werden. Der Spalt zwischen der Bodenfläche der Nut und dem nach unten gerutschten Eisen bleibt und führt zu einem schlechten elektrischen Kontakt und damit zu Energieverlusten. Diese Verluste werden durch Längsrisse oder gar abgebrochene Lappen im Kohleblock verstärkt, und die Gefahr von Beschädigungen durch eindringendes Aluminium während des Betriebs vergrössert sich sprunghaft.

[0010] In der DE-OS 2405461 wird eine Nutform vorgeschlagen, die bei allen diesen Vorgängen den eingegossenen Barren in Eingiesslage hält und daher keine Verkeilung vorkommen lässt. In jeder Seitenwand der Nut ist mindestens eine Ausnehmung angeordnet, welche der Verankerung von mindestens einer Erhebung des den Barren umschliessenden Gusseisenmantels dient. Die Rutschfähigkeit des Barrens in Längsrichtung (besonders bei längeren Blöcken) befriedigt jedoch nicht vollkommen, obwohl die Kräfte deutlich unterhalb des Risswertes der Kohle bleiben und damit ein Ausbrechen verhindert wird.

[0011] Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, ein Kathodenelement zu schaffen, das eine Verankerung für einen Kathodenbarren in einer Nut eines Kohleblockes aufweist, das bei und nach dem Eingiessen keine Schäden erleidet, einen Übergang Eisen-Kohle mit kleinem elektrischen Spannungsabfall aufweist, wirtschaftlich herzustellen ist und in Längsrichtung eine verhältnismässig gute Rutschfähigkeit aufweist.

[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in Arbeitslage die Ausnehmung des oberen Bereichs der Nut in Richtung der Nutöffnung ausweitende Schrägflächen bildet, die an deren unterem Ende in ungefähr horizontale, an der entsprechenden Seitenfläche der Nut endende Auflageflächen übergehen.

[0013] Der korrekt eingegossene Eisenbarren von rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt kann in der Eingiesslage bis nach dem Abkühlen höchstens um das Schrumpfungsmass des Eisens absacken. Dabei entsteht im Bereich der Schrägflächen, der Auflageflächen und der vertikalen Seitenflächen der Nut ein Spalt. Beim Einbau der in Arbeitslage gedrehten Kathodenelemente, jedoch spätestens beim Einstampfen der Fugen- und Bordstampfmasse, rutscht der eingegossene Barren wieder in dieselbe Position wie bei der Eingiesslage. Bei Inbetriebnahme der Elektrolysezelle werden die Kathodenelemente auf Arbeitstemperatur aufgeheizt, wobei sich sowohl der Eisenbarren als auch das eingegossene Eisen stärker ausdehnen als die Kohle. Das Eisen wird durch die thermische Ausdehnung optimal in die konische Form des oberen Teiles (Arbeitsstellung) gepresst und bewirkt einen guten elektrischen Kontakt zwischen Eisen und Kohlenstoff. Die ungefähr horizontale Auflagefläche wirkt dabei als Widerlager.

[0014] Der in Arbeitslage obere Teil der Nut ist derart ausgespart, dass bei eingegossenem Barren auch die Rutschfähigkeit in Längsrichtung hinreichend ist.

[0015] Zweckmässig verläuft die ungefähr horizontale Auflagefläche für den eingegossenen Kathodenbarren parallel zu der mit der Nut versehenen Boden- bzw. der Deckfläche des Kohleblockes.

[0016] Die Höhe der sich in Richtung der Nutöffnung ausweitenden Schrägflächen, beträgt vorzugsweise 40 bis 70% der Nuttiefe. Bei zu kleiner Höhe dieser Schrägflächen kann sich die erfindungsgemässe Wirkung nicht vollständig entfalten. Bei zu grosser Höhe dagegen besteht die Gefahr, dass beim Erwärmen der Zelle auf Arbeitstemperatur Risse entstehen oder sogar der unterhalb der Auflagefläche liegende Teil des Kohleblockes ausgebrochen wird. Aus diesen die Stabilität betreffenden Gründen werden die ausweitenden Schrägflächen, vorzugsweise nach einer Abrundung, direkt an die Bodenfläche der Nut angeschlossen.

[0017] Der Abstand der ungefähr horizontalen Auflagefläche von der mit der Nut versehenen Bodenfläche des Kohleblockes beträgt also mindestens 30% der Nuttiefe.

[0018] Der Neigungswinkel der Schrägflächen in bezug auf die Vertikale beträgt - sowohl in Eingiesswie auch in Arbeitslage - bevorzugt 3 bis 15°.

[0019] Bei zu grossem Winkel zwischen Schrägfläche und Vertikale würden die Kohleblöcke zu stark geschwächt, die Kontraktion des eingegossenen Eisens wäre zu gross, und der Barren könnte sich beim Eingiessen infolge zu starker Aufheizung in Längsrichtung verbiegen. Bei einem zu kleinen Winkel dagegen wäre die Auflagefläche zu klein. Der zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen Eisen und Kohlenstoff notwendige Auflagedruck könnte einen kleinen Absatz abreissen.

[0020] Die in Arbeitslage gedrehten Kathodenelemente werden in üblicher Weise zu einem Kohleboden zusammengefügt, der eingegossene Barren kann sich dabei in der Nut nicht verkeilen.

[0021] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die schematischen Vertikalschnitte zeigen:

Fig. 1 ein ausgekühltes Kathodenelement in Eingiesslage

Fig. 2 ein in Arbeitslage gedrehtes kaltes Kathodenelement.

[0022] Fig. 1 zeigt einen in einen Kohleblock 10 eingegossenen Kathodenbarren 11 in Eingiesslage, das gebildete Kathodenelement ist jedoch schon ausgekühlt. Die im Kohleblock 10 ausgesparte Nut 12 hat sich weniger kontrahiert als der Kathodenbarren 11 und die ihn umgebende Gusseisenschicht 13. Zwischen den in Richtung der Nutöffnung ausweitenden, d.h. konischen Schrägflächen 14, den vertikalen Seitenflächen 15 und den Auflageflächen 16 einerseits, sowie dem Gusseisenmantel 13 andererseits bildet sich ein Spalt 17. Der eingegossene Kathodenbarren 11 ist unter die Ebene der Bodenfläche 18 abgesackt. Diese Fläche kommt, im Gegensatz zu der Deckfläche 20, in der arbeitenden Elektrolysewanne nicht in Kontakt mit dem flüssigen Metall.

[0023] Die Bodenfläche 24 der eine Tiefe t aufweisenden Nut 12 geht in einer Abrundung 22 in die konischen Schrägflächen 14 über, welche ihrerseits eine Höhe h aufweisen. Der Neigungswinkel der Schrägflächen gegenüber der Vertikalen ist mit a bezeichnet.

[0024] Beim in Fig. 2 dargestellten, in Arbeitsposition gedrehten Kathodenelement ist der Eisenbarren 11 so abgerutscht, dass die untere Seite des Gusseisens - wie vor der Kontraktion von Eisen und Kohle - im Bereich der Ebene der Bodenfläche 18 des Kohleblockes 10 liegt. Der Spalt 17 erstreckt sich nunmehr über den Bereich der vertikalen Seitenwände 15, der Schrägflächen 14, der Abrundung 22 und der Bodenfläche 24 der Nut 12. Das Gusseisen 13 liegt auf der Auflagefläche 16 und verhindert, dass sich Gusseisen und Seitenflächen der Nut verklemmen.

[0025] Beim Aufwärmen des Kathodenelementes auf Arbeitstemperatur wirkt die Auflagefläche 16 als Widerlager, das Gusseisen 13 wird derart gegen die Kohle gepresst, dass ein guter elektrischer Übergangswiderstand entsteht.

Ansprüche

1. Kathodenelement für eine Schmelzflusselektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, mit einem Kohleblock, in dem ein Kathodenbarren in einer Nut verankert wird, wobei in jeder Seitenwand dieser Nut eine sich über die ganze Länge eines Blockes erstreckende Ausnehmung zur Aufnahme eines den Raum zwischen Barren und Nut ausfüllenden Gusseisenmantels ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Arbeitslage die Ausnehmung des oberen Bereichs der Nut (12) in Richtung der Nutöffnung ausweitende Schrägflächen (14) bildet, die an deren unterem Ende in ungefähr horizontale, an der entsprechenden Seitenfläche (15) der Nut endende Auflageflächen (16) übergehen.

2. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (16) parallel zu Boden- bzw. Deckfläche (18, 20) des Kohleblockes (10) verlaufen.

3. Kathodenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der ausweitenden Schrägflächen (14) 40-70% der Nuttiefe (t) beträgt.

4. Kathodenelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausweitenden Schrägflächen (14), nach einer Abrundung (22), direkt an der Bodenfläche (24) der Nut (12) beginnen.

5. Kathodenelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Auflagefläche (16) von der mit der Nut versehenen Bodenfläche (18) des Kohleblockes (10) mindestens 30% der Nuttiefe (t) beträgt.

6. Kathodenelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung (a) der ausweitenden Schrägflächen (14) in bezug auf die Vertikale von 3 bis 15° beträgt.

Claims

1. Cathode element for a fusion electrolysis cell, especially for manufacture of aluminium, with a carbon block, in which a cathode bar is anchored in a groove, while in each side wall of this groove there is formed a recess extending over the entire length of a block, for reception of a cast iron sheath filling the space between bar and groove, characterised in that in the working condition the recess in the upper part of the groove (12) has oblique surfaces (14) diverging in the direction of the groove opening, which at their lower ends run into approximately horizontal abutment surfaces (16) terminating at the corresponding side surfaces (15) of the groove.

2. Cathode element according to claim 1, characterised in that the abutment surfaces (16) extend parallel to the bottom or top surface (18, 20) of the carbon block (10).

3. Cathode element according to claim 1 or 2, characterised in that the height (h) of the diverging oblique surfaces (14) amounts to 40-70% of the groove depth (t).

4. Cathode element according to at least one of claims 1 to 3, characterised in that the diverging oblique surfaces (14), after a raduis (22), begin directly from the bottom surface (24) of the groove (12).

5. Cathode element according to at least one of claims 1 to 4, characterised in that the spacing of the abutment surface (16) from the bottom surface (18) of the carbon block (10), provided with the groove, amounts to at least 30% of the groove depth (t).

6. Cathode element according to at least one of claims 1 to 5, characterised in that the inclination (a) of the diverging oblique surfaces (14) amounts to from 3 to 15° relative to the vertical.

Revendications

1. Elément cathodique pour une cellule d'électrolyse ignée, en particulier pour la production de l'aluminium, comprenant un bloc de charbon dans lequel une barre cathodique est ancrée dans une rainure, et où, dans chaque paroi latérale de cette rainure, est formé un évidement s'étendant sur toute la longueur d'un bloc et destiné à recevoir un enrobage de fonte qui comble l'espace compris entre la barre et la rainure, caractérisé en ce que, dans la position de travail, l'évidement de la région supérieure de la rainure (12) forme des surfaces obliques (14) qui s'évasent vers l'ouverture de la rainure, et qui, à leur extrémité inférieure, rejoignent des surfaces de portée (16) à peu près horizontales, qui se terminent au droit des surfaces latérales correspondantes (15) de la rainure.

2. Elément cathodique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de portée (16) s'étendent parallèlement à la surface de fond et à la surface supérieure (18, 20) du bloc de charbon (10).

3. Elément cathodique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur (h) des surfaces obliques évasées (14) représente 40 à 70% de la profondeur (t) de la rainure.

4. Elément cathodique selon au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces obliques évasées (14) commencent directement à la surface de fond (24) de la rainure (12), après un arrondi (22).

5. Elément cathodique selon au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la distance entre la surface de portée (16) et la surface de fond (18) du bloc de charbon (10) munie de la rainure représente au moins 30% de la profondeur (t) de la rainure.

6. Elément cathodique selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'inclinaison (a) des surfaces obliques évasées (14) sur la verticale représente 3 à 15°.

Zeichnung