DE1187807B - Vorgebrannte Kohleanoden fuer die Herstellung von Metallen, insbesondere von Aluminium, durch Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22d

Deutsche Kl.: 40 c-3/12

Nummer: 1187 807

Aktenzeichen: P 31456 VI a/40 c

Anmeldetag: 27. März 1963

Auslegetag: 25. Februar 1965

Die Erfindung betrifft vorgebrannte Kohleanoden für Verfahren zur Herstellung von Metallen, insbesondere von Aluminium, durch Schmelzflußelektrolyse. Im allgemeinen werden vorgebrannte Anoden durch Formen der Anodenpaste unter Druck und Brennen der Anodenblöcke hergestellt.

Man versteht unter »Stoßstelle einer vorgebrannten Anode« eine starre, elektrisch leitende Verbindung der Anodenblöcke mit Anodenbefestigungen, die im allgemeinen aus Stahl sind und die Anode mit dem Anodenschaft verbinden, welcher selbst mit dem Rahmen der Elektrolysewanne verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt mit Hilfe eines leitenden Materials zwischen Anode und Anodenbefestigung in Ausnehmungen oder Hohlräumen am oberen Teil der Elektrode, die während des Pressens mit eingepreßt werden. Das leitfähige Material kann eine kohlenstoffhaltige Substanz, häufiger jedoch ein Metall, vorzugsweise Gußeisen sein, welches zwischen Anode und Anodenbefestigung in deren Ausnehmungen gegossen wurde.

Beim Pressen der Anodenpaste werden im allgemeinen in die Preßform aus Stahl ein oder mehrere Stücke aus einem geeigneten Material, im allgemeinen Stahl, eingesetzt, die man als »Matrizen für die Anodenform« bzw. »Matrizen für die Anodenausnehmung« bezeichnen kann.

Diese Matrizen bilden im oberen Teil der Anode ein Kreuz oder die erwähnten Ausnehmungen.

Die Ausnehmungen der Hohlräume weisen manchmal gewindeartige Nuten für eine bessere mechanische und elektrische Verbindung der Anode mit dem Anodenanschluß auf.

Jedoch konnte festgestellt werden, daß trotz Anwendung derartiger Nuten die Verbindung zu wünsehen übrigläßt. Dies gilt insbesondere für frisch eingesetzte, vorgebrannte Anoden, die bei der Schmelzflußelektrolyse einen ungewöhnlich starken Spannungsabfall ergeben können, wobei dieser Spannungsabfall sich während der Betriebszeit der Anode verringert. Dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, daß das Gußeisen der Stoßstelle beim Abkühlen schrumpft und daß diese Schrumpfung radial gegen die Mitte dieser gußeisernen schraubenartigen Teile der Verbindung erfolgt. Dies "45 wirkt sich ungünstig auf den normalen Stromübergang von Gußeisen auf die Kohleanode aus.

Man hat versucht, diese Schrumpfung durch Anwendung eines Gußeisens besonderer Zusammensetzung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten herabzusetzen, jedoch ist die Verwendung von Spezialguß sehr heikel und kostspielig; die Schrump-Vorgebrannte Kohleanoden für die Herstellung
von Metallen, insbesondere von Aluminium,
durch Schmelzflußelektrolyse

Anmelder:

Pechiney, Compagnie de Produits Chimiques et Electrometallurgiques, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Francois Jaouen,

Cite Saint-Roch Tarascon-sur-Ariege, Ariege

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 27. März 1962 (892 352)

fung des Gußeisens bleibt trotz Verwendung von Spezialguß störend und der Spannungsabfall in der Umgebung der Stoßstelle beträchtlich, insbesondere während der ersten Zeit des Anodenbetriebes.

Die Erfindung bringt eine neue Kohleanode, die die Ausschaltung obiger Schwierigkeiten erlaubt und eine wesentliche Herabsetzung des Spannungsabfalls an neuen Stoßstellen gestattet.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 18 näher erläutert, die vorgebackene Anoden für die Aluminiumelektrolyse betreffen.

F i g. 1 bis 4 zeigen Matrizen, Elektrodenausnehmungen und bekannte Elektroden,

F i g. 5 bis 18 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektroden;

F i g. 1 zeigt eine schraubenförmige Matrize für eine übliche Anodenform;

F i g. 2 zeigt eine übliche vorgebrannte Ano
welche im oberen Teil zwei Hohlräume
schraubenförmigen Nuten zur Verbindung mit'den Anodenzapfen aufweist;

F i g. 3 ist ein Querschnitt einer vorgenannten Elektrode, verbunden über die Anodenb/testigung; Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang X-Y fler Fig. 3;

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F i g. 5 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Matrizen nach der Erfindung, und zwar Fig. 5 und 6 Matrizen mit Kehlen, bei denen der vorspringende Teil (b) weniger als die Hälfte des Abstandes (a) zwischen zwei folgenden Kehlen beträgt;

Fig. 6 und 7 zeigen Matrizen mit Zähnen in Form einer Zahnstange an den Enden und über die Längsseiten; nach Fig. 7 sind die am Boden und nach außen stehenden Zähne abgerundet;

F i g. 8 zeigt eine Matrize mit verschieden geneigten Zähnen;

F i g. 9 ist ein Querschnitt über die Länge der Matrize nach Fig. 8; diese Matrize ist in drei Teile geteilt, und zwar F-F'-G, d. h. in bestimmten Teilen untereinander so verbunden, daß eine unterschiedliche Neigung der Zähne erreicht wird;

Fig. 10 zeigt eine Matrize in Form eines Quaders;

Fig. 11 bis 13 zeigen die AnodenhohlräumeH, und zwar Fig. 11 perspektivisch, Fig. 12 im Schnitt und F i g. 13 im Aufriß; beim Hohlraum H ist A die Länge und B die Breite, α und c bezeichnen Abstand und Länge der Zähne, D und C die Länge bzw. Breite der Anode, d und e die Länge bzw. Breite der Nuten E, wobei an jeder Schmalseite ein derartiger Hohlraum vorgesehen ist;

Fig. 14 zeigt eine erfindungsgemäße Anode;

Fig. 15 bringt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anode, verbunden mit ihrer Anodenbefestigung;

Fig. 16 ist ein Querschnitt entlang Χ'-Ύ' aus Fig. 15, wobei die Befestigung in

Fig. 17 gezeigt wird;

Fig. 18 zeigt ein Diagramm mit zwei Kurven, und zwar den Abfall der Spannung V in Volt als Funktion der Zeit t in Tagen für bekannte (Kurve 1) und erfindungsgemäße Anoden (Kurve 2).

Die erfindungsgemäßen Kohleanoden besitzen an ihrem oberen Ende mindestens eine Ausnehmung, vorzugsweise eine einzige, bei der das Verhältnis von Länge A zu Breite B mindestens ungefähr 2 ist, das Verhältnis Breite B der Form zu Breite C des Anodenelements mindestens etwa 0,05 bis 0,3 ist und das Verhältnis der Länge der Ausnehmung^ zu Länge der Elektrode D über etwa 0,4, vorzugsweise etwa mindestens 0,5, beträgt.

Wenn eine Elektrode in ihrem oberen Teil mehrere Ausnehmungen aufweist, so ist jede Ausnehmung für ein Anodenelement bestimmt. Durch Teilung einer einheitlichen Anode, am geeignetsten in gleiche Teile entlang vertikaler Ebenen parallel zu der größten Ausdehnung der Ausnehmung, werden solche Anodenelemente mit je einer Ausnehmung erhalten.

Diese Anoden gestatten eine günstige Aufteilung des Stromflusses aus dem Material der Stoßstelle in die Kohlenstoffmasse der Anode.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anoden liegt in der relativ größeren Kontaktfläche zwischen dem Material der Stoßstelle und der Anode.

Die erfindungsgemäße Anodenausnehmung kann eine oder mehrere folgender Ausführungen besitzen: Der Hohlraum ist im Querschnitt ein Trapez, Parallelogramm usw., vorzugsweise rechteckig; die Hohlräume sind mit vorspringenden Zähnen, vorzugsweise zahnstangenartig, ausgeführt.

Diese Ausführungsform erbringt außer anderen Vorteilen eine besonders vergrößerte Kontaktfläche zwischen Stoßstellenmaterial und Anode; die Hohlräume weisen nur an den Längsflächen Verzahnungen auf; sie haben ein Verhältnis —-^— = etwa 0,1

bis 0,35, gegebenenfalls auch verschieden geneigte Zähne; der Hohlraum kann auch Zähne an ihren Enden und/oder an den Außenflächen aufweisen; es

ίο ist auch möglich, daß der Hohlraum an jeder seiner parallelen Schmalseiten eine zentrale Nut aufweist, die vorzugsweise quaderförmig ist.

Die Erfindung betrifft ebenfalls Anoden, die nach jeder Weise mindestens mit einer Anodenbefestigung über ein Verbindungsmaterial, wie ein Metall oder eine Legierung, vorzugsweise Gußeisen, verbunden ist.

Die Anodenbefestigung, deren Masse immer der der Anodenausnehmung angepaßt ist, kann in folgender Weise ausgeführt sein: Ihre Länge ist größer als die Länget der Ausnehmung und kleiner als A+2d, wobei d die Tiefe der Nuten Z? ist, mit denen die Ausnehmung an jeder ihrer Schmalseiten versehen ist; seine Dicke entspricht im wesentlichen der Länge e der Nuten, so daß der Zapfen unter Reibung gegen die Wände der Nuten E, welche zentriert in der Ausnehmung der Elektrode angeordnet sind, eingesetzt wird.

Nach der Erfindung erzeugt das Material der Stoßstelle, wenn es auf Betriebstemperatur der Anode gebracht wird, einen Druck auf die Anode, was hinsichtlich eines guten elektrischen Kontaktes sehr zweckmäßig ist.

Es ist offensichtlich, daß das Gußeisen in der Anodenausnehmung nach der Erfindung auf die Wände dieser Ausnehmung bei der Abkühlung einen Zug ausübt. Man kann diesen Zugeffekt erklären, indem man ein Schrumpfen des Gußeisens in einer bevorzugten Richtung entsprechend der Längsachse der Zahnstange annimmt.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Man verwendete eine Anode für die Aluminiumschmelzflußelektrolyse nach bekannten Verfahren, entsprechend Fig. 1 bis 4.

Die Stromdichte in der Kohlenanode betrug 1 A/cm². Die Dicke der neuen Kohlenanode unterhalb des Gußeisens der Stoßstelle war etwa 43 cm.

Nach einer Betriebszeit von 23 Tagen wurde die

Anode aus dem Bad genommen und festgestellt, daß die Kohlenschicht unterhalb der Stoßstelle nicht mehr als 1 cm betrug.

Es wurde täglich der Spannungsabfall in der Anode zwischen dem Gußeisen der Stoßstelle und dem unteren Teil der Anode bestimmt und im Diagramm der F i g. 18 als Kurve 1 eingetragen.
Der Anstieg des Spannungsabfalls zwischen dem

1. und 3. Tag, wie er sich aus der Kurve ergibt, läßt sich dadurch erklären, daß die Kontaktstelle zwischen dem Gußeisen der Stoßstelle und dem Kohlenstoff der Anode durch Aufheizen der Anode bei Inbetriebnahme gestört wurden und sich erst neue Kontaktpunkte bilden mußten, was zu einem geringeren Spannungsabfall führt.

Der mittlere Spannungsabfall über 23 Tage lag bei etwa 0,35 V.

Beispiel 2

In die Elektrolysewanne des Beispiels 1 wurde bei gleicher Stromdichte im gleichen Moment eine Anode entsprechend Beispiel 1 eingeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Matrize, die Anodenausnehmung und die Anodenbefestigung den Fig. 15 bis 17 entsprachen.

Die Dicke der neuen Anodenkohle unterhalb der Anodenausnehmung betrug etwa 43 cm. Nach einer Betriebszeit von 23 Tagen wurde die Anode aus dem Bad genommen und festgestellt, daß die Dicke der Kohleschicht unterhalb der Stoßstelle nicht mehr als etwa 1 cm betrug.

Es wurde ebenfalls täglich der Spannungsabfall zwischen dem Gußeisen der Stoßstelle und dem unteren Anodenteil gemessen und im Diagramm der Fig. 18 als Kurve2 aufgetragen. Daraus ersieht man, daß der Spannungsabfall sehr weit unterhalb Kurve 1 liegt und die Kurve 2 gleichmäßig abfallend ist.

Der Zugeffekt, wie er oben beschrieben wurde, verringert neben anderen Vorteilen den Anstieg des Spannungsabfalls durch das Anheizen der Anode.

Der durchschnittliche Spannungsabfall über 23 Tage betrug ungefähr 0,25 V.

Gegenüber dem bekannten Verfahren, wie es im Beispiel 1 beschrieben ist, konnte man im Mittel einen Gewinn an Spannungsabfall von mindestens etwa 0,1 V feststellen.

Dieser Gewinn an Spannungsabfall äußert sich in einem geringeren Strombedarf von etwa 350 kWh/t erzeugtes Aluminium gegenüber einem Strombedarf von 15 000 kWh/t nach Beispiel 1. Dies entspricht einer Einsparung an Strombedarf der Elektrolysezelle um ungefähr 2,3%.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorgebrannte Kohleanode für die Herstellung von Metallen, insbesondere von Aluminium, durch Schmelzflußelektrolyse mit einem Hohlraum an ihrem oberen Teil, im allgemeinen vorzugsweise quaderförmig, für die Verbindung der Anode mit einem leitenden Metallteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Hohlraumes Kehlen aufweisen, wobei sich jede in dem Hohlraum von oben bis unten erstreckt, und daß diese Kehlen Zähne, angeordnet in Art einer Zahnstange, bilden.

2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum an jeder seiner parallelen Schmalseiten zentrische Nuten aufweist, so daß das Metallteil für den Stromanschluß sich unter Reibung an den Wänden dieser Nuten zentriert in dem Hohlraum befindet.

3. Anode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil sich mindestens ein, vorzugsweise ein einziger Hohlraum befindet, bei dem das Verhältnis Länge zu Breite des Hohlraums mindestens etwa 2, das Verhältnis Breite der Form zu Breite der Anodenelemente zwischen etwa 0,05 und 0,3, das Verhältnis Länge des Hohlraumes zu Länge der Anode über 0,4, vorzugsweise mindestens etwa 0,5, beträgt und, wenn eine Anode an ihrem oberen Teil mehrere Hohlräume aufweist, jeder Hohlraum für ein Anodenelement, erhalten durch gleiche Teilung der Anode über vertikale Ebenen parallel zu der Längsseite des Hohlraumes, dient.

4. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Breite des Hohlraumes plus doppelte Länge der Zähne gebrochen durch Breite der Anodenelemente zwischen etwa 0,1 und 0,35 liegt.

5. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum Zähne verschiedener Neigung aufweist.

6. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum Zähne an seinem Ende aufweist.

7. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von Anodenbefestigung und Anode mit Hilfe eines Materials für die Stoßstelle durch ein Metall oder eine Legierung, vorzugsweise durch Gußeisen, erfolgt.

8. Anode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Anodenbefestigung, deren Maße denen des Anodenhohlraumes entsprechen, größer ist als die Länge des Hohlraumes, aber kleiner als die Länge des Hohlraumes plus doppelte Tiefe der Nuten, deren Form an jeder der Schmalseiten vorgesehen ist, die Dicke der Befestigung im wesentlichen der Länge der Nuten entspricht, so daß die Befestigung unter Reibung an den Wänden der Nuten zentriert in dem Anodenhohlraum steckt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 510/323 2.65 © Bundesdruckerei Berlin