NO883887L - Festeanordning for karbonanoder. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en festeanordning for feste av en anodehenger til en karbonholdig anode som benyttes i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroult-prosessen, som angitt i ingressen til foreliggende søknads krav 1.

Aluminium fremstilles i det vesentlige ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et kryolittholdig bad. Elektrolyseovnene som tillater dette, består av en karbonkatode anbragt i en stålbeholder som innvendig er isolert med ildfaste, isolerende produkter. Over karbonkatoden er det anordnet en karbonanode eller et antall karbonanoder som er nedsenket i det kryolittholdige bad og 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 gravitasjon på den tette katode. Aluminium som fremstilles, eller en del av det fremstilte aluminium, blir regelmes-sig 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 fordelings-skinner fremstilles derfor av industrielle metaller med høy

elektrisk konduktivitet, dvs. vanligvis rent eller legert kobber og aluminium.

Karbonanodene henger i såkalte anodehengere som igjen er festet med klemmer til en anodebjelke for elektrisk og mekanisk tilkobling. Etter hvert som karbonanodene forbrukes og metall tappes fra cellen (metallet utgjør den egentlige katode) blir anodebjeiken senket for å bibeholde en mest mulig konstant avstand mellom katoden og karbonanodene.

I en elektrolysecelle av vanlig størrelse finnes ca. 20-30 karbonanoder, og siden disse anodene forbrukes gradvis, må

en anode skiftes etter ca. 20-30 døgns funksjonstid avhengig av størrelsen på karbonanodene. Hver celle får dermed omtrent ett anodeskift hver dag.

Som nevnt i det foranstående er karbonanodene opphengt i anodehengere. Disse anodehengere tjener to oppgaver, nemlig å fastholde karbonanodene i riktig avstand fra katoden og å lede strøm fra anodeskinnen ned gjennom karbonanodene.

Strømstyrken for elektrolyseovnene er idag mellom 100.000

og 300.000 ampere. Anodehengerne er derfor i størst mulig grad fremstilt av metall med høy elektrisk konduktivitet,

dvs. vanligvis rent eller legert kobber og aluminium. Siden den nederste del av anodehengerne befinner seg ved temperaturer nær temperaturen til det kryolittholdige bad, er imidlertid denne delen av anodehengeren fremstilt av et materiale som er motstandsdyktig overfor disse temperaturer, dvs. vanligvis stål.

Ved den konstruksjonsmessige løsning som idag benyttes består ståldelen av et tverrgående åk med to eller flere nedadragende sylindriske nipler, mens den øvre metalldelen normalt har rektangulært tverrsnitt og er sveiset eller på annen måte festet til ståldelen. Videre er anodehengerne festet til karbonanodene ved at niplene er støpt fast i hull i anodene ved hjelp av støpejern.

Denne festemetode hvor det benyttes et stålåk med nipler

som er innstøpt i anodene er imidlertid beheftet med flere ulemper. Således er anodespenningen høy med derav følgende øket energitap på grunn av lite kontaktareal, ujevn strømfor-deling og dårlig elektrisk forbindelse mellom niplene og støpeforbindelsen og mellom støpeforbindelsen og anoden. Videre er den mekaniske forbindelsen ved innstøping dårlig, noe som sammen med termiske spenninger, på grunn av forskjell i utvidelseskoeffisient mellom stålåket og anoden, fører til at anoden ofte løsner fra stålåket, såkalt "kullslipp". Kullslipp medfører driftsforstyrrelser og ekstraarbeid som følge av at det må foretas opprenskninger og innsettes ny anode.

Det relativt kostbare utstyret (støpeøse, smelteovn, rense-utstyr etc.) som anvendes og arbeidet som medgår i forbindelse med innstøpingen, medfører dessuten at festemetoden som sådan er kostbar, og de totale utgifter som er forbundet med anvend-elsen av festemetoden er derfor høye.

I søkerens egen norske patent nr. 152800 er det beskrevet

en festemetode mellom en inert anodetopp og en anodehenger hvor det i anodetoppen er anordnet et langsgående spor med svalehodeformet tverrsnitt og hvor niplene på anodehengernes stålåk er forsynt med en utforming som korresponderer med sporet i anodetoppen. Niplene og dermed anodehengeren fastholdes i sporet ved hjelp av en fjærende virkning ved at niplenes nedre ender er forsynt med vertikale slisser.

Det har imidlertid vist seg i praksis at denne festemetode ikke er anvendbar på grunn av sprekkdannelser som resulterer i kullslipp. Sprekkene oppstår i de spisse hjørnene i sporet som følge av de store spenningskonsentrasjoner som her dannes. Det er dessuten en ulempe med denne festemetode at anodespenningen er relativt høy bl.a. på grunn av lite kontaktareal mellom anoden og hengeren.

Det har vært et formål med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en festeanordning mellom anodehenger og anode som ikke er beheftet med ovennevnte ulemper, dvs. som er mekanisk sterk, kostnadsmessig rimelig og som har lav anodespenning og god strømfordeling i anoden.

I henhold til oppfinnelsen er dette oppnådd ved hjelp av en festeanordning hvor anoden på oversiden er forsynt med minst ett langsgående spor hvorav i det minste en nedre del av sporet har hovedsakelig sirkulær utforming som har større diameter enn bredden på sporets øvre del, og at anodehengerens ståldel har komplementær utforming og strekker seg i det vesentlige langs hele sporets lengde, som angitt i den karakteriserende delen av foreliggende søknads krav 1.

De uselvstendige kravene 1-5 angir fordelaktige utførelser

av oppfinnelsen. Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempel og under henvisning til figurene hvor: Fig. 1 viser i tverrsnitt og delvis i lengdesnitt en anodehenger påmontert en anode hvor det benyttes en festeanordning i henhold til oppfinnelsen, Fig. 2 viser i tverrsnitt en anodehenger påmontert en anode hvor det benyttes et spor med alternativ utforming, og

Fig. 3 viser i tverrsnitt en anodehenger påmontert en

anode hvor det benyttes to spor.

I Fig. 1 vises som angitt ovenfor en anodehenger 1 påmontert en karbonholdig, forbakt anode 2. Anoden 2 er på oversiden forsynt med et langsgående spor 5 som strekker seg i hele dens lengde. Den nedre del av sporet har sirkulær utforming med en diameter som er større enn sporets øvre del og som har hovedsakelig parallelle sider. Sporet 5 dannes fortrinns-vis ved maskinering (utfresing og utboring) etter at anoden er varmebehandlet (forbrent). Imidlertid vil det også kunne være mulig å lage sporet under selve formingen av anoden,

dvs. før den blir varmebehandlet.

Anodehengeren 1 består av en øvre del 4 av aluminium eller kobber som er forbundet (ved 3) til en nedre del av stål 6. Forbindelsen 5 kan være en form for sveiseforbindelse, lodde-forbindelse eller en støpeforbindelse som nevnt i søkerens egen norske patentsøknad nr. 871133. Ståldelen 6 har en i forhold til sporet komplementær utforming og omfatter et øvre flatt parti 9 og et nedre sirkulært parti 10. Ståldelen kan være laget av rundstål som er sveiset til et platestykke, eller den kan være fremstilt i ett stykke ved støping.

Ved monteringen føres ståldelen av anodehengeren inn i sporet fra anodens ene kortside. Sikker innfesting og god kontakt mellom stålet og anoden oppnås ved bruk av hensiktsmessig lim, støpejern eller kontaktkasse/stampekasse. For å hindre at badsmelten kommer i kontakt med stålet er sporet i områdene ved endene av ståldelen fylt med tettemiddel i form av karbonmasse e.l.

Med den her viste løsning hvor det benyttes et sirkulært stålparti som strekker seg i omtrent hele karbonanodens lengde, tilveiebringes et stort kontaktareal mellom anoden og stålet. Sammen med anvendelse av lim, støpejern eller karbonmasse som kontakt- og festemiddel oppnås derfor lav anodespenning, god strømfordeling og god innfesting. Videre, siden sporet ikke har skarpe kanter, vil det ikke bli initert sprekker i anoden som vil kunne forårsake kullslipp.

I Fig. 2 vises en alternativ utførelse av sporet 5 hvor dettes nedre del har oval utforming. Med en utforming av sporet som her vist, oppnås en reduksjon i spordybde, noe som igjen bevirker at butstykkelsen blir mindre (mindre anode-rest for den brukte anoden). Imidlertid er det ved denne utførelse viktig å passe på at krumningsradien ikke blir for liten slik at det initieres sprekkvekst.

I Fig. 3 vises en utførelse hvor det benyttes to parallelle spor og hvor ståldelen består av en V-formet forgrening med to komplementært utformede festepartier. Herved oppnås både bedre innfesting og bedre strømfordeling. Imidlertid vil denne utførelse være dyrere å anvende idet arbeidet ved infestingen og arbeidet med rensing av anodehengerne etter bruk blir mer omfattende.

Selv om det i det foranstående er vist eksempler hvor det benyttes ett eller to spor, vil det forstås at det innenfor oppfinnelsens ramme slik den er definert i kravene også vil kunne benyttes tre eller flere spor.

Claims (4)

1. Festeanordning for feste av en anodehenger (1) til en karbonholdig anode (2) i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroultpro-sessen, hvor anodehengeren består av en øvre del (4) av aluminium, kobber e.l. og en nedre del (6) av stål hvor-til den karbonholdige anode er festet, karakterisert ved at anoden på oversiden er forsynt med minst ett langsgående spor (5) hvorav i det minste en nedre del (8) av sporet har hovedsakelig sirkulær utforming som har større diameter enn bredden på sporets øvre del, og at anodehengerens ståldel (6) har en i forhold til sporet (5) komplementær utforming og strekker seg i det vesentlige langs hele dets lengde.

2. Festeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at ståldelen (6) fastholdes i sporet (5) ved hjelp av liming e.l.

3. Festeanordning ifølge de foregående krav, karakterisert ved at den nedre del av sporet har oval utforming.

4. Festeanordning ifølge de foregående krav, karakterisert ved at anoden er forsynt med to eller flere parallelle spor (5) og at ståldelen (6) er forsynt med to komplementære festedeler (9,10).