NO157462B - Laminert karbonkatode for celler til smelte-elektrolytisk fremstilling av aluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en laminert karbonkatode for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium.

En celle for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium består vanligvis i dag av en firkantet, lav stålkasse. På bunnen og sidene er denne kasse innvendig foret med en termisk isolering av ildfast stein. På høytemperatursiden, innenfor den termiske isolering, er kassen forsynt med karbonforing. Denne er formet som et grunt kar som rommer smeiten og det utskilte aluminium. I karbonforingen ligger stålskinner, såkalte katodestål, for elektrisk forbindelse mellom karbonkatoden og de ytre strømskinner.

Den aggressive smelte med temperaturer omkring 1000°C som

brukes ved den smelteelektrolytiske fremstilling av aluminium, stiller de største krav til foring av smelterommet samtidig som bunnen skal være elektrisk ledende. En lang rekke forbindelser: oksyder, nitrider og karbider har vært forsøkt som forings-materialer,vmen fremdeles er det forskjellige karbontyper som dominerer materialvalget.

Ved valg av karbonmaterialer for katoder, må en ta hensyn til pris og motstandsdyktighet mot impregnering/gjennomtrengning av smeltens komponenter. Avgjørende for valget blir katodens funksjonstid og spenningsfall i katoden.

Fra US patentskrift nr. 4.537.671 er det kjent en vanlig type karbonkatode med ett lag karbonblokker i bunnen. For å redusere faren for sprekker i karbonforingen i sidene, på grunn av termiske spenninger, er det mellom den øvre del av karbonforingen og karbonlaget i bunnen anordnet et mellomliggende sjikt med lavere strekkfasthet. Både i foringen i sidene og i karbonlaget i bunnen benyttes standard type karbonmateriale.

Det er nå funnet at en mer eller mindre grafittert katode viser en høyere motstand mot impregnering og gjennomtrengning av smeltekomponenter, samtidig som den elektriske lednings-evnen er bedre enn tradisjonelle karbonprodukter på antrasittbasis.

Rene grafittelektroder ville på mange måter være å foretrekke, men produksjonskapasitet og pris hindrer en alminnelig over-gang til ren grafitt i katoden.

Karbonforinger er bygget opp av karbonblokker som plasseres ved siden av hverandre. De forbindes med forskjellige typer lim eller stampemasse som fylles i fugene.

Fugene er det svakeste element i karbonforingen. Materialene i fugene får sin endelige herding under starten av cellen og det er da vanskelig å oppnå ideell varmebehandling. Fugemassen inneholder også flyktige stoffer, hvilket fører til at fugene etter den termiske behandling under start av cellen, har ten-dens til å krympe og å bli porøse og mer permeable enn den øvrige del av karbonforingen.

Gjennom defekte fuger kan smelte trenge ned mellom karbonblokker og redusere steinforingens isolasjonsevne og angripe katodestålet. Når cellen produserer aluminium med et uønsket innhold av jern og silisium, er dette et varsel om at cellens funksjonstid snart er ute.

I tillegg er oksydasjon av cellens karbonsideforing ved til-føring av luft gjennom åpningene for katodestål i stålkassens sider, et vanlig problem som kan føre til redusert funksjonstid for cellen.

Med foreliggende oppfinnelse er det kommet fram til en karbonkatode hvor ovennevnte ulemper er eliminert, dvs. hvor: gjennomtrengningen av smeltekomponenter er unngått, funksjonstiden er forlenget,

strømtilførselen er bedret (mindre tap), og fremstillingskostnadene er lavere.

Dette oppnås ved hjelp av en karbonkatode som angitt i de karak-teriserende delene av de etterfølgende krav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningsfigurene, hvor Fig. 1 og 2 viser et eksempel på en karbonkatode i henholdvis lengdesnitt og tverrsnitt.

Som det fremgår av Fig. 1, er karbonkatoden delt i to horisontale lag 1 og 2 av karbonblokker 5 og 6. Hvert lag har forskjellig kvalitet med skilleflatene 3 mellom karbonlagene anordnet i nivå med katodestålet 4. Hver hel blokk er forsynt med to katodestål 4. Videre er karbonblokkene i de to lag arrangert således at de vertikale fugene mellom blokkene i hvert lag er forskjøvet med en øvre fuge 7 og en nedre fuge 8 på hver side av et katodestål 4.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen består karbonblokkene i det øvre lag 1 av grafitt eller grafittert karbon, mens blokkene i det nedre lag 2 består av karbonblokker på antrasittbasis.

Ved en slik utførelse oppnår man å redusere mengden av de dyrere karbonkvaliteter. Hertil kommer at fugene blir sikrere mot gjennombrudd av smelte idet det ikke lenger er direkte gjennom-gående vertikale fuger fra overflaten av karbonkatoden og ned til steinforingen. Fugene blir også forlenget med den horisontale lengde i skillet mellom nedre og øvre karbonlag.

For å oppnå den fulle nytte av oppfinnelsen er det nødvendig å bruke et hensiktsmessig lim med høyt koksutbytte etter varmebehandling. I en foretrukket utførelse består limet av et fin-fordelt karbonaggregat og et furan- eller fenolbasert harpiks, f.eks. som beskrevet i europeisk patentskrift nr.EP 0075 279 Bl. Man kan selvfølgelig bruke katodestål med forskjellig tverrsnitt, men i en foretrukket utførelse velges rundt katodestål 4 som legges midt mellom det nedre lag karbonblokker 2 og det øvre lag karbonblokker 1 med en halvrund utsparing i såvel den øvre karbonblokk 5 som den nedre karbonblokk 6. Runde ledere gir et effektivt elektrisk ledningstverrsnitt og en god kontaktflate mot karbonforingen under ordinær driftstilstand.

Ved å velge rundt katodestål kan man med kjente metoder friksjon-sveise katodestålet til en aluminiumforlengelse 10 som så, når katodestålet er på plass, kan sveises til det ytre strømskinnesys-tem av aluminium som sammenkobler cellene. Ved å nytte aluminium som elektrisk leder så langt fram som mulig mot katodestålet, vil spenningsfallet reduseres og energitapet totalt bli mindre.

Sveiseforbindelsen gir et lavere overgangstap enn en skruefor-bindelse og den blir heller ikke dårligere med tiden. Etter-stramming blir ikke nødvendig.

Ved en foretrukket utføørelse av katodestålet vil det naturlig fremkomme en krage 9 i sveiseforbindelsen og denne brukes til tetningsflens mot sideveggen i katodekassen der katodestålet føres gjennom kassesiden. Derved overflødiggjøres mer kostbare og uprak-tiske separate tetningsanordninger på utsiden av stålkassen,f.eks. påsveiste pakkboksarrangementer som er vanlig å bruke.

Katodestål utvider seg meget i lengderetningen når det oppvarmes til driftstemperaturen omkring 900°C. Det er derfor nødvendig å dele katodestålet 10 slik at stålet kan ekspandere i retning 11, bort fra sideveggen som ellers ville bule ut og svekke ovnen.

Montasje av katodeforing er tidkrevende og betyr dertil et pro-duksjonstap om omforing skjer på cellens posisjon i ovnshallen. Foreliggende oppfinnelse forenkler montering av karbonblokker og katodestål i katodekassen. Dertil muliggjør løsningen mer utstrakt bruk av standardiserte blokkdimensjoner og bedre utnyttelse av kullemnene ved bearbeiding.

Claims (5)

1. Laminert karbonkatode for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium, omfattende karbonblokker som er forbundet med strømførende stålledere (4),karakterisert ved at karbonkatoden er delt i to horisontale lag (1, 2) av karbonblokker (5, 6) av forskjellig kvalitet med skille-flaten (3) mellom karbonlagene i nivå med katodestålet (4), at det er to katodestål i hver hel blokk, og at karbonblokkene i de to lag er arrangert således at de vertikale fugene mellom blokkene i hvert lag er forskjøvet med en øvre fuge (7) og en nedre fuge (8) på hver sin side av katodestålet (4).

2. Laminert katode ifølge krav 1, karakterisert vedat karbonblokkene i det øvre lag (1) består av grafitt eller grafittert karbon mens blokkene i det nedre lag (2) består av karbonblokker på antrasittbasis.

3. Laminert katode ifølge krav 1 og 2, karakterisert vedat lagene er sammenføyet med et lim som består av poly-meriserbare hydrokarboner med høyt karboninnhold.

4. Laminert katode ifølge krav 1, karakterisertvedat katodestålene (4) er runde og ligger mellom det nedre lag av karbonblokkene (2) og det øvre lag av karbonblokkene (1), med en halvrund utsparing for katodestålet i såvel den øvre karbonblokk (5) som i den nedre karbonblokk (6).

5. Laminert katode ifølge krav 4, omfattende katodestål som er friksjonssveiset til en aluminiumforlengelse (10) for kobling til en ytre strømskinne,karakterisert vedat kragen (9) i sveiseforbindelsen brukes til tetningsflens mot en katodekasse der katodestålet føres ut gjennom kassens side.