CH280174A - Process for the production of carbon electrodes. - Google Patents

Process for the production of carbon electrodes.

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CH280174A
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electrode
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Description

  

  Verfahren zur Herstellung von     Kohlenelektroden.       Bei elektrolytischer Aluminiumerzeugung  besteht das Reduktionsmittel aus der Anoden  kohle selbst, durch welche der     elektrische     Strom in das Bad geleitet. wird. Nährend der  Elektrolyse oxydiert die Kohle unter Bildung  einer Mischung von CO und C02, die in Gas  form entweicht. Die Anodenkohle wird des  halb während des Verfahrens andauernd in  einer     ;Menge    verbraucht, die etwa 50 bis 60     1/o     des erzeugten Aluminiums entspricht.  



  Die Anodenkohle wird in besonderen     Elek-          trodenfabriken    hergestellt, wo sie bei 'Tempe  raturen, die gewöhnlich     1.100    bis 1500  C be  tragen, gebacken wird. Diese Elektroden sind  diskontinuierlich. Eine kontinuierliche Elek  trode wird nach dem sogenannten     Söderberg-          System        durch    Backen in dem Ofen selbst, in  dem die Elektrode angewendet, wird, herge  stellt.

   Sowohl die erstgenannten     Stiickelek-          troden    als auch die     Söderberg-Elektroden     werden aus einer     Elektrodenmasse    hergestellt,  die     Petrolkoks,    Pechkoks, Anthrazit oder ähn  liches Kohlenmaterial, den sogenannten     Trok-          kenstoff,    der     kalziniert    und auf geeignete       Korngrösse    niedergebrochen ist, und ein  Bindemittel, bestehend aus Teer oder Pech in  geeignetem Verhältnis, enthält. Während des  Backens verkokt das Bindemittel, wodurch die  einzelnen Körner der Trockenmischung zusam  mengebunden werden und man eine feste  Elektrode erhält.

   Diese Elektrode ist gewöhn  lic11 in der     gleielien    Weise wie ein Beton auf  gebaut, indem sie aus Körnern verschiedener    Grössen besteht, die mit Hilfe des Kokses aus  dem Bindemittel zusammengebunden sind.  



  Bei der Aluminiumerzeugung muss man  Elektroden verwenden, die sehr wenig Asche  enthalten, um nicht. dem erzeugten     Metall     mehr     Verunreinigungen,    als     unbedingt    not  wendig,     zuzuführen.    Man benutzt demzufolge  entweder     Petrolkoks    oder Pechkoks, oder even  tuell gereinigten Anthrazit.  



  Bei der Anwendung der Elektrode in Alu  miniumöfen stösst man oft auf die Schwierig  keit, dass einige der Bestandteile der     Elek-          trodenkohle    leicht abbröckeln. Dadurch wird  ein Kohlenpulver gebildet, das im elektrolyti  schen Bad     umherschwimmt    und dieses ver  unreinigt. Man muss deshalb von Zeit     zu    Zeit  das Bad     abschäumen,    um das Kohlenpulver  zu entfernen, was zum Verlust der wertvollen       Fluorsalze    führt, welche die Bestandteile des  elektrolytischen Bades ausmachen.

   Es ist des  halb ein wichtiges Problem, Elektroden sol  cher Qualität herzustellen,     da.ss    möglichst  wenig     Kohlenabbröckelung    während der An  wendung vorkommt. .  



  Die     Patentanmelderin    hat diese Sache ein  gehend studiert und hat eine wichtige Ursache  zur Entstehung der     Kohlenabbröckelung    ge  funden. Die     Ursache    ist, dass die verschiedenen  Bestandteile der gebackenen Elektrode, das  heisst besonders der durch Verkokung des  Bindemittels gebildete Koks und der Trocken  stoff - welche übrigens die     Elektrodenmasse     ausmachen -, in bezug auf wesentliche physi-           kalische    und chemische Eigenschaften ver  schieden sind.

   Dies herrscht besonders bei den  selbstbackenden Elektroden vor, wo die     Back-          temperatur    dieselbe ist wie die Temperatur  in dem elektrolytischen Ofen, bei     Aluminium-          erzeugung    z. B. etwa 950 .

   Falls zum Beispiel  der angewandte Koks bei 1450      kalziniert    wor  den ist, während der     Bindemittelkoks    nur eine  Temperatur von 950  erreicht hat, zeigt es  sich, dass der     Bindemittelkoks    leichter von  dem elektrolytisch ausgeschiedenen Sauerstoff  und dem sekundär gebildeten     C0"    angegriffen  wird als der übrige Koks, der im voraus bei  Temperaturen von 1400 bis 1500      kalziniert     worden ist. Die Folge davon ist, dass vorzugs  weise der     Bindemittelkoks    oxydiert, und die  Körner, die von der übrigen Masse herrühren,  unverändert. am untern Ende der Elektrode  liegen bleiben, bis sie schliesslich abfallen.

   Man  kann sich durch Untersuchung des     abge-          schäumten    Kohlenstaubes, der gerade die  Korngrössen aufweist, aus der die Elektroden  masse hergestellt ist, leicht davon überzeugen,  dass dies der Fall ist.  



  Die     Patentanmelderin    hat nachgewiesen,  dass die Erklärung dieser selektiven Oxyda  tion des     verkokten    Bindemittels in der Elek  trode darin liegt, dass die     Reaktivität    des       Elektrodenkokses,    die elektrochemische Über  spannung und die     Anfeuchtungsverhältnisse          zwischen    dem     Blektrolvsenbade    und der Elek  trode von der     Kalzinierungstemperatur    des       Kokses    abhängig sind.  



  Die     Reaktivität    von     kalziniertem        Petrol-          koks    und Pechkoks, wie sie gewöhnlich zur       Elektrodenherstellung    benutzt werden, liegt  im Gebiet von 0,15 bis 0,30.     Verkoktes    Binde  mittel, das bei 950  C     kalziniert    worden ist,  hat bei der     Reaktivitätsmessung    Werte von  etwa 0,40 ergeben.

       11Tessungen    von     Petrolkoks     in     Laboratorienskala        kalziniert,    haben fol  gende Werte ergeben  
EMI0002.0035     
  
    Kalzinierungstemperatur <SEP> Reaktivität
<tb>  950  <SEP> C <SEP> 0,30
<tb>  1100  <SEP> C <SEP> 0,22
<tb>  1300  <SEP> C <SEP> 0,19
<tb>  1500  <SEP> C <SEP> 0,18       Alle hier angegebenen     Reaktivitätswerte     beziehen sich auf eine von der     Patentanmel-          derin    ausgearbeitete     Messmethode    und müssen  als relative Werte aufgefasst werden.  



  Messungen der     Anfeuchtungsverhältnisse     zwischen dem elektrolytischen Bade     und    der  Elektrode haben gezeigt, dass die     Kalzinie-          rungstemperatur    des Kokses für das Anfeuch  ten von     wesentlicher    Bedeutung ist. Ein bei  hoher Temperatur     kalzinierter    Koks wird vom       Elektrolysenbad    wesentlich schlechter ange  feuchtet als ein bei niedriger Temperatur     kal-          zinierter        Koks.    Eine schlechte Anfeuchtung  wird zu schlechterem Stromübergang führen.  



  Messungen von elektrochemischer     Crber-          spannung    haben gezeigt, dass ein bei hoher  Temperatur     kalzinierter    Koks wesentlich  höhere elektrochemische     Überspannung    hat  als ein bei niedriger Temperatur     kalzinierter     Koks. Eine grosse Überspannung wird zu  schlechterem Stromübergang führen.  



  Ausser der     Kalzinierungstemperatur    ist  auch die     Kalzinierungsdauer    von Bedeutung.  Die Anmelderun hat gefunden, dass eine kür  zere     Kalzinierungsdauer    bei höherer Tempe  ratur dieselbe     Reaktivität,        Ü        berspannung     und dieselben Verhältnisse beim Anfeuchten  des     elektrolytischen    Bades geben kann wie  eine längere     Kalzinierungsdauer    bei gerin  gerer     Temperatur.     



  Die     Anmelderun    hat nachgewiesen, dass  diese Umstände für das  Abbröckeln  von  den     Kohlenelektroden    bei der Aluminium  erzeugung von wesentlicher Bedeutung sind.  Wenn. die Elektrode bei niedrigerer Tempe  ratur als die beim     Kalzinieren    des den     Trok-          kenstoff    der Elektrode ausmachenden Koh  lenmaterials verwendete gebacken worden  ist, wird das verkokte Bindemittel bei der  geringeren     Backtemperatur    andere Eigen  schaften erhalten als der     Koks    des Trocken  stoffes. Wie früher erwähnt., macht sich dies  besonders bei selbstbackenden Elektroden  geltend.

   Wegen der oben genannten unter  schiedlichen Eigenschaften des     Bindemittel-          kokses    und des Trockenstoffes wird der elek  trische Strom an der Grenzfläche zwischen  dem     elektrolytischen    Bade und der Kohlen-           elektrode    vorzugsweise durch den     Bindemittel-          koks    gehen. Dies bewirkt, dass der     Bindemittel-          koks        durch    die elektrolytischen Reaktionen an  der Anode rascher     weggezehrt    wird als die  Körner des Trockenstoffes, die dadurch bloss  gelegt werden und abbröckeln.

   Die verschie  denartige     Reaktivitä.t    führt auch dazu, dass  die sekundäre Reaktion zwischen dem Kohlen  stoff der Anode und dem     C02    im Anodengas  vorzugsweise den     Bindemittelkoks    angreifen  wird.  



  Die     Anmelderin    hat gefunden, die störende       Kohlenabbröekelung    dadurch vermeiden zu  können, dass das zur Herstellung von Elek  tronenmasse benutzte Kohlenmaterial vor Zu  gabe des Bindemittels in solcher Weise     kalzi-          Tiiert    wird, dass das verkokte Kohlenmaterial  und das     verkokte    Bindemittel in der fertigen  Elektrode     praktisch    dieselbe     Reaktivität,        elek-          troehemisehe    Überspannung und dasselbe Ver  halten bei der Anfeuchtung, dem elektrolyti  schen Bad gegenüber, aufweisen.  



  Bei selbstbackenden Elektroden entspre  chen die     Kalzinierungstemperatur    und die       Kalzinierungsdauer    des Kohlenmaterials vor  Zugabe des Bindemittels     zweekmässigerweise     der Temperatur in dem Ofen, in dem die  Elektrode verwendet wird, z. B. bei     Alumi-          niumerzeugning    950  C.

   Die sieh ergebende  Elektronenmasse bildet dann eine Elektrode,  die gleichmässig     ox@-diert,    indem die Elektro  lyse in demselben Grade an den     verkokten          Kohlenmaterialkörnern    wie an dem     Bindemit-          lelkoks    stattfindet, und die Körner des     ver-          kokten    Kohlenmaterials in demselben Grade  mit dem C02 im Anodengase reagieren wie  der     Bindemittelkoks.    Besonders     günstig    er  weist sich dies bei Anwendung von Pechkoks  in der Elektronenmasse.

   Beim Backen wird       eine        solche        Elektrode        zu        100        %        eine        Pee.hkoks-          elektrode    ausmachen, deren Bestandteile wäh  rend der     Herstellung    keine höhere Tempera  tur als 950  C erreicht haben. Auch bei An  wendung von     Petrolkoks    und     kalziniertem    An  thrazit machen sieh dieselben Verhältnisse  geltend, weshalb die beschriebene Methode  auch für diese Materialien vorteilhaft ist.

      Bei Anwendung dieser     Verfahrungsweise     wird man im allgemeinen nicht die volle elek  trische Leitfähigkeit in dem angewandten  Koks erzielen. Jedoch ist der Unterschied so  gering, dass dies in der Praxis keine nennens  werte Rolle spielt.  



  Bei Versuchen, die von der     Anmelderin     ausgeführt worden sind, hat sich jedoch er  wiesen, dass sich bei zu schwacher     Kalzinie-          rung    des Kohlenmaterials wegen Schrump  fung der Elektrode Risse bilden können.  



  Zum Beispiel beim     Kalzinieren    von     Petrol-          koks    für Elektroden in Aluminiumöfen darf  die     Kalzinierungstemperatur    bei einer     Kalzi-          nierungsdauer    von 10 bis 20 Stunden nicht  unter 950  liegen.  



  Es zeigt sieh jedoch, dass sich die verschie  denen charakteristischen Eigenschaften eines  Kokses, der durch Verkoken von Bindemittel  hergestellt ist, durch Zugabe von hierzu ge  eigneten Katalysatoren vor dem Verkoken  etwas ändern lassen. Die     Anmelderin    hat  somit gefunden, dass es möglich ist, bei Zugabe  eines geeigneten Katalysators eine     Reaktivi-          tät,    Überspannung und Anfeuchtung von       Bindemittelkoks,    der bei 950      kalziniert     wurde, zu erzielen, die eigentlich den Eigen  schaften entsprechen sollten, die man sonst  bei einem     Bindemittelkoks    findet, der bei  1100      kalziniert    wurde.

   Dies ist. ein sehr inter  essanter Umstand, der in Verbindung mit dein  oben Gesagten mit. Vorteil ausgenutzt werden  kann, da demzufolge ein Kohlenmaterial, das  bei relativ hoher Temperatur, z. B. 1100 ,       kalziniert    worden ist, als Rohmaterial benutzt  werden kann. Ein derart     kalziniertes    Kohlen  material wird dann keiner Schrumpfung in  der Elektrode, deren Temperatur etwa 950   nicht übersteigt, ausgesetzt sein, und man  vermeidet dadurch die Gefahr der     Rissebil-          dung    in der Elektrode.  



  Ein derart.     kalzinierter    Koks wird, wie  oben beschrieben, im Aluminiumofen ein Ab  bröckeln von Kohle verursachen, wenn man  ein gewöhnliches Bindemittel verwendet.  Durch Zugabe eines geeigneten Katalysators  kann man jedoch die Kalzinierungstempera-           tur    des     Bindemittelkokses    gewissermassen von  950 auf 1100   erhöhen  und erhält dadurch  eine Elektrode, in welcher das verkokte Koh  lenmaterial und der     Bindemittelkoks    diesel  ben charakteristischen     Eigenschaften    besitzen.



  Process for the production of carbon electrodes. In electrolytic aluminum production, the reducing agent consists of the anode carbon itself, through which the electrical current is conducted into the bath. becomes. During the electrolysis, the carbon oxidizes with the formation of a mixture of CO and C02, which escapes in gas form. The anode carbon is therefore continuously consumed during the process in an amount which corresponds to about 50 to 60 1 / o of the aluminum produced.



  The anode carbon is manufactured in special electrode factories, where it is baked at temperatures that are usually 1,100 to 1,500 degrees Celsius. These electrodes are discontinuous. A continuous electrode is manufactured according to the so-called Söderberg system by baking in the furnace itself in which the electrode is used.

   Both the first-mentioned stick electrodes and the Söderberg electrodes are made from an electrode mass consisting of petroleum coke, pitch coke, anthracite or similar carbon material, the so-called dry matter, which is calcined and broken down to a suitable grain size, and a binding agent Tar or pitch in appropriate proportions. During baking, the binding agent cokes, which binds the individual grains of the dry mixture together and results in a solid electrode.

   This electrode is usually constructed in the same way as concrete, in that it consists of grains of various sizes which are bound together with the help of the coke from the binding agent.



  When producing aluminum you have to use electrodes that contain very little ash in order not to. the metal produced more impurities than is absolutely necessary. You use either petroleum coke or pitch coke, or possibly purified anthracite.



  When using the electrode in aluminum furnaces, one often encounters the difficulty that some of the components of the electrode carbon easily crumble off. As a result, a carbon powder is formed that swims around in the electrolytic bath and impurities this ver. It is therefore necessary from time to time to skim the bath in order to remove the carbon powder, which leads to the loss of the valuable fluorine salts which make up the components of the electrolytic bath.

   It is therefore an important problem to manufacture electrodes of such a quality that there is as little coal crumbling as possible during use. .



  The patent applicant has studied this matter in detail and has found an important reason for the development of the coal crumbling. The reason for this is that the various components of the baked electrode, that is to say in particular the coke formed by coking the binding agent and the dry matter - which, by the way, make up the electrode mass - are different in terms of essential physical and chemical properties.

   This is particularly the case with self-baking electrodes, where the baking temperature is the same as the temperature in the electrolytic oven. B. about 950.

   If, for example, the coke used has been calcined at 1450 while the binder coke has only reached a temperature of 950, it turns out that the binder coke is more easily attacked by the electrolytically separated oxygen and the secondary CO "formed than the rest of the coke. which has been calcined in advance at temperatures of 1400 to 1500. The consequence of this is that the binder coke preferably oxidizes, and the grains, which originate from the rest of the mass, remain unchanged at the lower end of the electrode until they finally fall off .

   One can easily convince oneself that this is the case by examining the foamed coal dust, which has precisely the grain size from which the electrode mass is made.



  The patent applicant has proven that the explanation of this selective oxidation of the coked binder in the electrode is that the reactivity of the electrode coke, the electrochemical overvoltage and the humidification conditions between the metal sheet bath and the electrode depend on the calcination temperature of the coke.



  The reactivity of calcined petroleum coke and pitch coke, as they are commonly used for making electrodes, is in the range from 0.15 to 0.30. Coked binding agent, which has been calcined at 950 C, showed values of about 0.40 in the reactivity measurement.

       11 Tests of petroleum coke, calcined on a laboratory scale, gave the following values
EMI0002.0035
  
    Calcination temperature <SEP> reactivity
<tb> 950 <SEP> C <SEP> 0.30
<tb> 1100 <SEP> C <SEP> 0.22
<tb> 1300 <SEP> C <SEP> 0.19
<tb> 1500 <SEP> C <SEP> 0.18 All reactivity values given here refer to a measuring method developed by the patent applicant and must be viewed as relative values.



  Measurements of the humidification conditions between the electrolytic bath and the electrode have shown that the calcination temperature of the coke is of essential importance for the humidification. A coke that is calcined at a high temperature is much less humid in the electrolysis bath than a coke that is calcined at a low temperature. Bad humidification will lead to poorer current transfer.



  Measurements of electrochemical overvoltage have shown that a coke calcined at high temperature has a significantly higher electrochemical overvoltage than a coke calcined at low temperature. A large overvoltage will lead to poor current transfer.



  In addition to the calcination temperature, the calcination time is also important. The application has found that a shorter calcination time at higher temperatures can give the same reactivity, overvoltage and the same conditions when moistening the electrolytic bath as a longer calcination time at lower temperature.



  The application has proven that these circumstances are essential for the crumbling of the carbon electrodes in the production of aluminum. If. If the electrode has been baked at a lower temperature than that used for calcining the carbon material that makes up the dry substance of the electrode, the coked binder will have different properties than the coke of the dry substance at the lower baking temperature. As mentioned earlier, this is particularly true for self-baking electrodes.

   Because of the different properties of the binder coke and the dry matter mentioned above, the electrical current at the interface between the electrolytic bath and the carbon electrode will preferably pass through the binder coke. This has the effect that the electrolytic reactions at the anode consume the binder coke faster than the grains of the dry matter, which are exposed and crumble off.

   The different reactivity also means that the secondary reaction between the carbon of the anode and the CO 2 in the anode gas will preferentially attack the binder coke.



  The applicant has found that it is possible to avoid the annoying coal breakdown by calcining the carbon material used to produce electron mass before adding the binder in such a way that the coked carbon material and the coked binder in the finished electrode have practically the same reactivity , electro-chemical overvoltage and have the same behavior when moistened with respect to the electrolytic bath.



  In the case of self-baking electrodes, the calcination temperature and the calcination time of the carbon material prior to the addition of the binder correspond to the temperature in the furnace in which the electrode is used, e.g. B. for aluminum production 950 C.

   The resulting electron mass then forms an electrode which oxidizes uniformly, in that the electrolysis takes place in the same degree on the coked carbon material grains as on the binding agent coke, and the grains of the coked carbon material in the same degree with the CO 2 in the Anode gases react like the binder coke. It proves this to be particularly favorable when using pitch coke in the electron mass.

   When baking, such an electrode will be 100% a Pee.hkoks electrode, the components of which did not reach a temperature higher than 950 C during manufacture. Even when using petroleum coke and calcined anthracite, the same conditions apply, which is why the method described is also advantageous for these materials.

      When using this procedure, you will generally not achieve the full electrical conductivity in the coke used. However, the difference is so small that it does not play a significant role in practice.



  In tests carried out by the applicant, however, it has been found that if the calcination of the carbon material is too weak, cracks can form due to shrinkage of the electrode.



  For example, when calcining petroleum coke for electrodes in aluminum furnaces, the calcining temperature must not be below 950 for a calcination time of 10 to 20 hours.



  It shows, however, that the various characteristic properties of a coke that is produced by coking a binder can be changed somewhat by adding suitable catalysts before coking. The applicant has thus found that it is possible, with the addition of a suitable catalyst, to achieve reactivity, overvoltage and moistening of the binder coke, which was calcined at 950, which should actually correspond to the properties that would otherwise be found in a binder coke found that was calcined at 1100.

   This is. a very interesting fact, which in connection with what you said above with. Advantage can be exploited, since accordingly a carbon material that is at a relatively high temperature, for. B. 1100, has been calcined, can be used as raw material. A carbon material calcined in this way will then not be exposed to any shrinkage in the electrode, the temperature of which does not exceed about 950, and the risk of cracks forming in the electrode is thereby avoided.



  One of those. Calcined coke, as described above, will cause coal to crumble in the aluminum furnace if an ordinary binder is used. By adding a suitable catalyst, however, the calcination temperature of the binder coke can be increased to a certain extent from 950 to 1100, and an electrode is obtained in which the coked coal material and the binder coke have the same characteristic properties.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Herstellung von Elektro den, die aus einem kalzinierten Kohlenmate rial unter Anwendung eines Kohlenwasser stoffe enthaltenden Bindemittels gebacken werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenmaterial vor Zugabe des Bindemittels in solcher -Weise kalziniert wird, dass das ver- kokte Kohlenmaterial und das verkokte Binde mittel in der fertigen Elektrode praktisch die selbe Reaktivität, elektrochemische Überspan nung und dasselbe Verhalten bei der Anfeuch tung, dem elektrolytischen Bad gegenüber, aufweisen. UNTERANSPRÜCHE: 1. Claim: A method for the production of electrodes, which are baked from a calcined carbon material using a binder containing hydrocarbons, characterized in that the carbon material is calcined before adding the binder in such a manner that the coked carbon material and the Coked binding agents in the finished electrode have practically the same reactivity, electrochemical overvoltage and the same behavior when moistened with respect to the electrolytic bath. SUBCLAIMS: 1. Verfahren nach Patentanspruch zur Herstellung selbstbackender Elektroden, da durch gekennzeichnet, dass die Kalzinierungs- temperatur und die Kalzinierungsdauer des Kohlenmaterials vor Zugabe des Bindemittels der Temperatur in dem elektrischen Ofen, in welchem die Elektrode angewendet wird, ent sprechen. 2. Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Kalzinierungs- temperatur und die Kalzinierungsdauer des Kohlenmaterials vor Zugabe des Bindemittels der Arbeitstemperatur in einem Aluminium ofen von 950 C entsprechen. 3. Method according to claim for the production of self-baking electrodes, characterized in that the calcination temperature and the calcination time of the carbon material prior to the addition of the binding agent correspond to the temperature in the electric furnace in which the electrode is used. 2. The method according to dependent claim 1, characterized in that the calcination temperature and the calcination time of the carbon material correspond to the working temperature in an aluminum furnace of 950 C before the binder is added. 3. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass den Rohstoffen ein Katalysator zugegeben wird, der dem verkok- ten Bindemittel und dem verkokten Kohlen material die gleiche Reaktivität, elektrochemi sche Überspannung und Anfeuchtung verleiht. Method according to claim, characterized in that a catalyst is added to the raw materials which gives the coked binder and the coked carbon material the same reactivity, electrochemical overvoltage and humidification.
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