NO162083B - Anodehenger for fastholdelse av karbonholdig anode i celler for fremstilling av aluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører anodehengere for fastholdelse av karbonholdige anoder i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroultprosessen, som angitt i ingressen til foreliggende søknad,

Aluminium fremstilles i det vesentlige ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et kryolittholdig bad. Elektrolyse-ovnene som tillater dette, består av en karbonkatode anbragt i en stålbehoxder som innvendig er isolert med ildfaste, iso-lerende produkter. Over karbonkatoden er det anordnet en kar-bonanode eller et antall karbonanoder som er nedsenket i det kryolittholdige bad som gradvis oksyderes av oksygen som stammer fra dekomponeringen av aluminiumoksyd.

Strøm føres gjennom cellene fra topp til bunn. Kryolitten holdes i flytende tilstand ved hjelp av Joule-effekten ved en temperatur nær størkningstemperaturen. De vanlige temperaturer for drift av disse celler er mellom 930 og 980°C. Det aluminium som fremstilles, er derfor flytende og avsettes ved gravitet på den tette katode. Aluminium som fremstilles,

eller en del av det fremstilte aluminium, blir regelmessig suget av ved hjelp av en støpeøse og dekantert til smelte-ovner. Brukte anoder erstattes av nye.

Strømstyrken for disse elektrolyseovner er mellom 100.000 og 300.000 ampere i dag. Strømforbindelser og fordelingsskinner fremstilles derfor av industrielle metaller med høy elektrisk konduktivitet, dvs. vanligvis rent eller legert kobber og aluminium. For enkelhets skyld omtales metaller med høy elektrisk konduktivitet (aluminium, kobber etc.) i det etter-følgende som "metall", mens jern- og stållegeringer omtales som "stål".

De karbonholdige deler av elektrolyseapparaturene befinner seg ved temperaturer nær temperaturen til det kryolittholdige bad. Forbindelsen mellom anode og katode og de strømførende ledere er derfor nødvendigvis fremstilt ved hjelp av en mellomliggende del som er motstandsdyktig overfor disse høye temperaturer. Denne mellomliggende del fremstilles vanligvis av stål.

I forbindelsen mellom den strømførende lederen (anoderammen) og anoden, anodehengeren, utgjør ståldelen vanligvis bare den nedre del av denne, mens den øvre del av anodehengeren ut-gjøres av metall. At ikke hele anodehengeren er laget av stål, beror på stålets dårlige egenskaper som strømleder.

Det er ønskelig at strømveien i stålet mellom metalldelen og anoden er kortest mulig for å oppnå lavest mulig ohmsk motstand. Imidlertid må det samtidig anvendes så mye stål at temperaturen i metalldelen av anodehengeren ikke blir for høy slik at metallet smelter eller løsner fra ståldelen.

Som forbindelsesmetode mellom ståldelen og metalldelen av anodehengeren er det kjent å benytte sveising, lrdding, en form for mekanisk klemforbindelse eller kombinasjoner av disse.

Dagens stål-/metallforbindelser i anodehengerne er lite hold-bare overfor mekaniske og termiske påkjenninger og krever derfor jevnlig kontroll med sikte på å avsløre eventuelle defekter.

I tillegg er den elektriske ledningsevnen til stål-/metallforbindelser dårlig (høy motstand), noe som også medvirker til å redusere levetiden for dagens anodehengere.

Med foreliggende oppfinnelse tas sikte på å fremstille en anodehenger som angitt i ingressen til foreliggende søknads-krav 1, hvor forbindelsen mellom metalldelen og ståldelen har;

- bedre styrkemessige egenskaper

bedre elektrisk ledningsevne (lavere motstand) kortere strømvei i ståldelen, og er

enklere og rimeligere å fremstille og vedlikeholde

(ca. 1/3 av dagens anodehengere)

Dette oppnås ved hjelp av en anodehenger som videre angitt i den karakteriserende del av krav 1.

Fordelaktige utførelsesformer av anodehengeren er omtalt i de uselvstendige kravene 2-10.

Foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives nærmere under hen-visning til vedføyde tegninger, hvor Fig. 1-4 viser fire for-skjellige eksempler på en anodehenger i henhold til oppfinnelsen.

I eksemplet i Fig. 1 er det vist en anodehenger som er på-montert en anode av karbon. Anodehengeren 1 består av en øvre del 3 av metall, anodestang, og en nedre del 4 av stål. Ståldelen 4 omfatter et tverrgående åk 7 som er utstyrt med nedadragende nipler 5 som er festet til anoden ved hjelp av et forbindelseselement 8. Dette forbindelseselement kan være støpejern, karbon, karbonholdig pasta eller en tørrpakning. Metalldelen er festet til ståldelen ved at ståldelen 4 er delvis innstøpt i metalldelen 3.

Fremstillingen av anodehengeren i henhold til Fig. 1 består i at det fremstilles en ståldel 4 med et tverrgående åk 7 hvor det er anordnet flere gjennomgående og relativt store hull 6. Ståldelen rengjøres ved f.eks. sandblåsing, og den delen som skal innstøpes, metalliseres deretter elektrolytisk eller på annen måte med et godt elektrisk ledende materiale, som f.eks. sølv eller kobber. Ved å metallisere stålet oppnår en bedre elektrisk forbindelse mellom dette og metallet. Metalliseringen kan imidlertid også sløyfes.

Åket 7 monteres med niplene oppad i en på forhånd tilvirket kokille eller støpeform. Deretter fylles flytende metall i formen slik at hele eller en del av åket 7 blir dekket.

Kokillen eller formen er hensiktmessig utformet slik at den også danner en naturlig forbindelsesmulighet med anodebjelken, eventuelt at hele anodestangen støpes samtidig.

Ved støpingen flyter metall inn i hullene 6 hvor det størkner. På grunn av at metallet har større utvidelseskoeffisient enn stålet, vil metallet ved størkningen og nedkjølingen presse mot veggflåtene i hullene 6. Derved oppnås en god elektrisk forbindelse og en sterk mekanisk forbindelse mellom metallet og stålet i anodehengeren.

Et gjennomgående hull 9 er anordnet ved overgangen mellom metalldelen 3 og ståldelen 4. Hullet tjener som feste for en løfte-/holdeanordning i forbindelse med transport av anodehengeren, fjerning av anoderester fra niplene 5 o.l. og tjener til å redusere den mekaniske belastningen/slitasjen på forbindelsen mellom metallet.og ståldelen.

I Fig. 2, som viser et annet eksempel på en anodehenger i henhold til oppfinnelsen, består åket i ståldelen av en hul, kasselignende konstruksjon 10. Den kasselignende konstruksjon 10 kan hensiktsmessig være laget av et firkantprofil av stål, og er på oversiden forsynt med et hull for den øvre metalldel 11, anodestangen; samt på undersiden forsynt med hull for stålniplene 12. Den hedre del av anodestangen 11 og de øvre deler av niplene 12 strekker seg gjennom angjeldende hull og delvis inn i den kasselignende konstruksjon 10. Anodestangen 11 er anordnet med klaring i forhold til hullet på oversiden av kassekonstruksjonen 10, mens niplene fortrinnsvis er fastsveiset til kantene i sine respektive hull ved hjelp av en utvendig sveis 14 og/eller en innvendig sveis 15. Ved å fast-sveise niplene oppnås bedre elektrisk kontakt, og flytende metall hindres fra å renne ut i forbindelse med støpingen. Etter at niplene 12 er fastsveiset og anodestangen er anordnet i riktig posisjon, kan selve støpingen foretas ved at smeltet metall helles ned gjennom et hull på oversiden av kasse-konstruks jonen 10. Det smeltede metall bør ved støpingen fortrinnsvis være overhetet (for aluminium ca. 750°C). Derved oppnås at anodestangens 11 nedre del delvis blir smeltet sammen med det støpte metall 26, slik at den elektriske ledningsevnen bedres.

For å sikre innfestingen av anoden 11 og niplene 12 i det støpte metall 26, er endene forsynt med en innsnevring 13 slik at den ytre del av endene, sett fra siden, har svalehalelignende form. Denne form på stålniplenes 12 ender antas også

å bedre den elektriske ledningsevne mellom disse og det støpte metall 26 på grunn av gunstigere spenningsmessige forhold. For ytterligere å forbedre ledningsevnen kan det for øvrig også her være aktuelt å metallisere stålet som skal innstøpes (endene av niplene etc.) med et godt elektrisk ledende belegg.

Fig. 3 viser et eksempel på en anodehenger som bygger på samme prinsipielle løsning som omtalt i det foranstående og som vist i Fig. 2. På grunn av den bedrede elektriske ledningsevne mellom ståldel og metalldel og den kortere strømvei gjennom ståldelen (i realiteten bare niplene) i forhold til eksisterende

anodehengere, foreslås det å anordne to anodekull i hver anodehenger. Istedenfor tre nipler er således anodehengeren forsynt med seks nipler 12.

Med denne løsning blir belastningen på åket 18 større. Det er derfor på oversiden av åket 18, på hver side av anode-

stangen 20, anordnet strekkstag 17 i form av trekantede plater

som ved sine nedre sidekanter er fastsveiset til åket 18 og ved sine hosliggende sidekanter er fastsveiset til en opprettstående kassekonstruksjon 19 som strekker seg rundt anodestangen 20.

Doble anodehengere av den her viste type vil ytterligere bidra til å redusere anodehengerkostnadene ved elektrolyse av aluminium.

Et fjerde og siste eksempel på en anodehenger i henhold til oppfinnelsen, er vist i Fig. 4. Denne bygger også delvis på anodehengeren vist i Fig. 2 ved at niplene er innstøpt i en kasselignende konstruksjon, og delvis på anodehengeren vist i Fig. 3 ved at det kan benyttes to anodekull. Forskjellen består imidlertid i at strøm tilføres direkte til det støpte metallet 26 via fleksible tilførselsledninger 24, og at det benyttes en ikke-strømledende stålstav 21 som "anodestang".

Med denne løsning oppnås en vesentlig kortere strømvei gjennom metalldelen av anodehengeren, samtidig som selve oppheng-ningsprinsippet bli enklere.-

Stålstaven 21, som også her kan være laget av firkantprofil, er sveiset til åket eller den kasselignende konstruksjonen 22 ved sin nedre ende. Videre er det på,oversiden av åket 22 anordnet strekkstag 25 på lignende måte som vist i Fig. 3.

Når det gjelder tilførselsledningene 24, kan disse være inn-støpt ved sine ender i metallet 26 eller være forbundet med metallet ved hjelp av en mekanisk kontakt (ikke vist).

Selv om det i Fig. 4 er vist en anodehenger hvor det benyttes seks nipler (to anoder), er oppfinnelsen slik den er definert i kravene, ikke begrenset til bare denne løsning. Således kan anodehengere hvor strøm tilføres via fleksible strømledere 24, også være forsynt med tre nipler (én anode) eller flere enn

seks nipler (flere enn to anoder).

Med foreliggende oppfinnelse er det kommet fram til en anodehenger hvor strømveien i ståldelen ( i eksemplet vist i

Fig. 4, også metalldelen ) er vesentlig redusert.

Begrensningen i nevnte strømvei bestemmes av avgitt temperatur fra elektrolysebadet. Denne må ikke overskride smeltepunktet i anodehengerens metall, dvs. støpeforbindelsen 3, 26. Niplene 5, 12 i åket må således utformes tilstrekkelig lange slik at den øvre grense for temperaturen i metallet ikke overskrides. Det kan i denne forbindelse også være aktuelt å benytte en eller annen form for kjøling av metalldelen, f.eks. kjdle-ribber e.l.

Claims (10)

1. Anodehenger for fastholdelse av karbonholdig anode (2) i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroultprosessen, omfattende en øvre del (3, 11, 20, 21) av metall såsom aluminium, kobber eller stål, som er forbundet med en anodebjelke e.l. og en nedre strøm-førende ståldel (4) som er festet til den øvre delen (3, 11, 20, 21) og som omfatter et åk (7, 10, 18, 22) med nedadragende nipler (5, 12) hvortil den karbonholdige anode (2) er festet, karakterisert ved at den øvre delen (3, 11, 20, 21) er festet til den nedre strømførende ståldelen (4) ved hjelp av en støpeforbindelse av aluminium eller kobber.

2. Anodehenger, ifølge krav 1, hvor den øvre delen (3) ut-gjøres av metall, karakterisert ved at den nedre ståldelen (4) er festet til den øvre delen (3) av metall ved at hele eller deler av åket (7) på ståldelen er innstøpt i metalldelen (3).

3. Anodehenger ifølge krav 2, karakterisert ved at åket (7) i ståldelen (4) er forsynt med tverrgående hull i form av gjennomgående boringer (6), utsparinger e.l., hvorved metallsmelten under innstøpingen flyter inn i disse boringer/utsparinger.

4. Anodehenger ifølge krav 1, hvor den øvre delen (11) er laget av metall, karakterisert ved at åket utgjøres av en hul, kasselignende konstruksjon (10), og at de øvre endene av niplene (12) og den nedre enden av metalldelen (11) rager inn i og er innstøpt i den kasselignende konstruksjonen (10).

5. Anodehenger ifølge krav 4, karakterisert ved at enden av metalldelen (11) og enden av niplene (12) som rager inn i den kasselignende konstruksjonen (10) er forsynt med en innsnevring (13) slik at den ytre delen (16) av endene har svalehalelignende form.

6. Anodehenger ifølge krav 4 og 5, karakterisert ved at niplene (12) før innstøpingen er fastsveiset til den kasselignende konstruksjonen (10) ved en utvendig (14) og/eller innvendig sveis (15).

7. Anodehenger ifølge krav 4, 5 og 6, karakterisert ved at anodehengeren er innrettet til å kunne fastholde to anodekull (2), idet det på hver side av den øvre metalldelen (20) er anordnet strekkstag (17) som ved sine nedre sidekanter er fast forbundet med den kasselignende konstruksjonen (18) og som ved sine hosliggende sidekanter er fast forbundet med en opprettstående kassekonstruksjon (19) som strekker seg rundt den øvre metalldelen (11).

8. Anodehenger ifølge krav 1, hvor den øvre delen (21) er laget av stål, f.eks. firkantstål, karakterisert ved at den øvre ståldelen (21) er ikke-strømførende og er forbundet med åket som utgjøres av en hul, kasselignende konstruksjon (22), at den øvre enden av niplene (12) strekker seg inn i og er innstøpt i metall i den kasselignende konstruksjonen (22), og at strøm tilføres via fleksible strømledere (24) som er koblet direkte til metallet i den kasselignende konstruksjonen (22).

9. Anodehenger ifølge krav 8, karakterisert ved at anodehengeren er innrettet til å kunne fastholde to anodekull (2), idet det på hver side av den øvre ståldelen (21) er anordnet strekkstag (25) som ved sine nedre sidekanter er fast forbundet med den kasselignende konstruksjonen (22) og som ved sine hosliggende sidekanter er fast forbundet med den øvre ståldelen (21).

10. Anodehenger ifølge krav 1 og/eller 2, karakterisert ved at ståldelen før innstøping, elektrolytisk eller på annen måte, er påført et lag med godt elektrisk ledende materiale såsom sølv, kobber e.l.