Verfahren zum Zuführen des elektrischen Stromes zu einer Anode eines Aluminiumelektrolyseofens Im Schweizer Patent Nr. 344219 ist ein Verfahren zur Herstellung einer selbstbackenden, kontinuier lichen Anode für Aluminiumelektrolyseöfen beschrie ben, nach welchem die kontinuierliche Anode durch Aufsetzen und Zusammensetzen von ungebackenen, mechanisch verfestigten (also block- oder strangge- pressten oder auch gestampften) Blöcken aus Kunst kohlemischung hergestellt wird, wobei zwischen den zu verbindenden Flächen ein Bindemittel angeordnet wird.
Die Kunstkohlemasse wird so zusammengesetzt, dass die Kohleblöcke bei der Verkokung durch die Ofenwärme nicht verlaufen, wie es die in stückiger Form zugesetzte Kunstkohlemasse bei den bekannten Aluminiumelektrolyseöfen mit selbstbackender Anode (den sogenannten Söderbergöfen) tut. Die Blöcke er weichen, ohne im wesentlichen ihre Form zu ver lieren.
Dem Fachmann ist bekannt,'auf welche Weise er den Temperaturpunkt erhöhen kann, bei welchem eine z. B. aus zerkleinertem Koks und Steinkohlen teerpech zusammengesetzte Kunstkohlemasse zu flie ssen beginnt. Man erreicht dieses Ziel in erster Linie durch Herabsetzung des Pechgehaltes.
Von Einfluss ist auch die Korngrösse des Kokses; je gröber das Korn, desto niedriger der Erweichungspunkt. Als Bindemittel für das Kleben der Blöcke kommen Massen aus kohlehaltigem Material in Frage, deren Gehalt an Pech 25 bis 100 % beträgt. Man kann die übliche Söderbergmasse verwenden, also eine Masse,
die einen höheren Pechgehalt enthält als die Masse der hier verwendeten ungebackenen Blöcke. Das Bindemittel ist ein kohlenstoffhaltiges Material, das eine geringere Viskosität hat als die Kunstkohle mischung der Blöcke, das heisst das bei verhältnis mässig niedrigeren Temperaturen zu fliessen beginnt. Ein solches Material kann in breiigem oder flüssigem Zustand durch Giessen in die Fugen zwischen den Blöcken eingebracht oder auf die obere Seite der Blöcke ausgebreitet werden. Es füllt auch etwaige Hohlräume an der Oberfläche der ungebackenen Blöcke leicht aus. Man kann es auch in festem Zu stand verwenden, z. B. als Pulver.
Es kann dann als solches auf die horizontalen Verbindungsflächen in einer Schichtdicke von beispielsweise 5 bis 30 mm aufgestreut werden, bevor eine neue Blocklage auf gesetzt wird, während die lotrechten Fugen zwischen den Blöcken mit diesem Pulver ausgestampft werden. Beim Erwärmen der Blöcke im Aluminiumelektrolyse ofen erwärmt sich dieses Pulver ebenfalls, schmilzt und füllt dann sämtliche Hohlräume aus.
Ein solches Pulver für die horizontalen Verbindungsflächen be steht beispielsweise aus 38 0/a Pechkoks, 10 o/9 Reinst- koks und 52,1/o Mittelhartpech (Erweichungspunkt etwa 80 C) und weist folgende Kornzusammensetzung auf:
1,68 bis 3,36 mm 101/o 0,84 1,68 mm 161/o 0,42 0,84 mm 16% 0,21 0,42 mm 1611/o 0,105 0,21 mm 140/9 0 0,105 mm 281/o Die trockene Klebemasse für die lotrechten Fugen soll vorzugsweise eine gröbere Körnung aufweisen. Es kommt z.
B. folgende Zusammensetzung in Frage: 57,6 0/0 Pechkoks, 14,4 % Reinstkoks und 28,0 % Mittelhartpech (Erweichungspunkt etwa 80 C), und folgende Kör nung:
1,68 bis 3,36 mm 16% 0,84 1,68 mm 281/o 0,42 0,84 mm 28% 0,21 0,42 mm 2811/o Unter Umständen kleben die Blöcke aneinander ohne Klebstoffzwischenschicht.
Die Zusammensetzung der Kunstkohlemischung der Blöcke, z. B. aus zerkleinertem Koks und Stein kohlenteerpech, die für den Aufbau von Anoden zu verwenden sind, entspricht derjenigen der normalen, für den Aluminiumofenbetrieb gebräuchlichen Anoden vor dem Brennen (Backen), das heisst, der Gehalt der Kohlenmasse an Pech als Bindemittel soll etwa 16 bis 20 0/0 betragen.
<I>Beispiele für</I> Blockanoclenmassen 1. Blockanodenmasse bestehend aus rund 70 % Pechkoks und 30 % Steinkohlenreinstkoks mit Hartpech als Bindemittel.
a) Zusammensetzung der Masse:
EMI0002.0031
Prozentualer
<tb> Kokssorte <SEP> Siebeinteilung <SEP> Anteil <SEP> an <SEP> der
<tb> nach <SEP> Tyler
<tb> Gesamtmasse
<tb> Pechkoks <SEP> 1,68 <SEP> bis <SEP> 3,36 <SEP> mm <SEP> <B>80/0</B>
<tb> <SEP> 0,21 <SEP> <SEP> 1,68 <SEP> mm <SEP> 30%
<tb> <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0,21 <SEP> mm <SEP> <B>191/0</B>
<tb> Steinkohlen reinstkoks <SEP> 1,68 <SEP> <SEP> 3,36 <SEP> mm <SEP> 3%
<tb> <SEP> 0,21 <SEP> <SEP> 1,68 <SEP> mm <SEP> <B>81/0</B>
<tb> <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0,21 <SEP> mm <SEP> 14%
<tb> Bindemittelzusatz:
<tb> Hartpech <SEP> <B>181V0</B>
<tb> <B>1000/0</B> b) Eigenschaften des Hartpeches:
Erweichungspunktnach Krämer-Sarnow 860C Verkokungsrückstand 600/0 Anthrazenölunlösliches 14% Benzolunlösliches 44% z. Blockanodenmasse bestehend aus 55 0/0, Pechkoks, 30,% Steinkohlenhochtemperaturkoks und 15 0/0 Anodenabfällen mit Hartpech als Bindemittel.
EMI0002.0046
a) <SEP> Zusammensetzung <SEP> der <SEP> Masse:
<tb> Prozentualer
<tb> Kokssorte <SEP> Siebeinteilung <SEP> Anteil <SEP> an <SEP> der
<tb> nach <SEP> Tyler
<tb> Gesamtmasse
<tb> Pechkoks <SEP> 1,68 <SEP> bis <SEP> 3,36 <SEP> mm <SEP> <B>711/o</B>
<tb> <SEP> 0,21 <SEP> <SEP> 1,68 <SEP> mm <SEP> 24 <SEP> 0/0
<tb> <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0,21 <SEP> mm <SEP> 140/9
<tb> Steinkohlenhoch temperaturkoks <SEP> 1,68 <SEP> <SEP> 3,36 <SEP> mm <SEP> <B><I>5010</I></B>
<tb> <SEP> 0,21 <SEP> <SEP> 1,68 <SEP> mm <SEP> <B>90/0</B>
<tb> <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0,21 <SEP> mm <SEP> <B>10"/@</B>
<tb> Anodenabfälle
<tb> Mahlgut <SEP> 0 <SEP> <SEP> 3,36 <SEP> mm <SEP> 1211h,
<tb> Bindemittelzusatz:
<tb> Hartpech <SEP> <B>190/0</B>
<tb> <B>1000/0</B> b) Eigenschaften des Hartpeches:
wie bei Blockanodenmasse 1.
Anoden werden vorzugsweise aus mindestens zwei Blöcken aus Kohlemasse zusammengesetzt, die nebeneinander angeordnet werden. Das gesamte Kohlepaket wird zweckmässigerweise durch einen eisernen Rahmen eingefasst, in dem es im ganzen auf wärts oder abwärts gleiten kann. Die Anode kann auch ohne Rahmen gebildet sein.
Der horizontale Abstand, mit dem die Kohle blöcke nebeneinander gelegt werden, kann 5 bis 50 mm und sollte zweckmässigerweise 10 bis 40 mm betragen.
Die Stromzuführung zur Anode kann durch lot recht angeordnete, runde Stahlbolzen erfolgen, wobei als Löcher für die Bolzen halbzylindrische Ausneh- mungen dienen können, die auf den entsprechenden sich jeweils gegenüberliegenden Vertikalbolzen je zweier nebeneinanderliegenden Kohleblöcke ausge spart sind. Im Betrieb haben sich jedoch Schwierig keiten ergeben, so dass es in der Folge für vorteil hafter gefunden worden ist, den Strom durch waag rechte oder gegenüber der Horizontalen geneigte Metallbolzen der Anode seitlich zuzuführen.
Die Zuführung des Stromes durch seitliche Bolzen bei selbstbackenden Anoden für die Aluminiumelek trolyse ist an sich bekannt. Bei diesen Anoden ist die Elektrodenmasse z. B. in einem Aluminiummantel enthalten, der selbst innerhalb einer gewissen Höhe durch einen Eisenrahmen umfasst ist. Im Rahmen und im Aluminiummantel sind Öffnungen vorgesehen, durch die hindurch die seitlichen Stromzuführungs- bolzen in die noch weiche, ungebackene Elektroden masse schräg nach unten eingestossen werden.
Diese Stromzuführungsbolzen bestehen üblicherweise aus Stahl, sind beispielsweise 65 cm lang und von 70 auf 50 mm im Durchmesser verjüngt, am vorderen Ende zugespitzt und am hinteren Ende flach gestaltet und verkupfert. Der flache Teil wird mit Hilfe von bieg samen Aluminiumbändern über eine Stromzuführungs- stange (Anodenstange) mit der Stromsammelschiene verbunden.
Nur die beiden untersten Reihen dieser auswechselbaren Bolzen reichen in den gebackenen Teil der Anode und sind an die Stromsammelschiene angeschlossen, die darüberliegenden Reihen nicht. Nach Massgabe des Abbrennens der Elektrode im Schmelzbad und deren Absenken wird die Verbin dung der untersten Bolzen mit der Stromzuführungs- stange gelöst; die Bolzen werden sodann aus der Anode gezogen und weiter oben wieder eingesetzt. Die nächste bisher nicht angeschlossene Bolzenreihe wird mit der Stromzuführungsstange verbunden.
Bei dieser Ausführung wird die Anode am Eisenrahmen aufge hängt; die seitlichen Kontaktbolzen dienen nur zur Stromzuführung.
Es gibt verschiedene andere Ausführungsformen von kontinuierlichen selbstbackenden Anoden mit seitlicher Stromzuführung für die Aluminiumelektro lyse im Fluoridbad, wie sie jetzt allgemein üblich ist. Es ist auch bekannt, die Elektrode an den seitlichen Kontaktbolzen aufzuhängen, so dass diese das Ge wicht der Elektrode tragen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Zuführen des elektrischen Stromes zu einer kontinuierlichen, selbstbackenden, aus ungebackenen und mechanisch verfestigten Kunstkohleblöcken zusammengesetzten Anode für Aluminiumelektrolyseöfen durch seitliche, zweckmässig waagrechte, oder gegenüber der Hori zontalen leicht geneigte Kontaktbolzen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbolzen mindestens der jeweils untersten Reihe elektrisch leitend und zugleich mechanisch tragend mit den Stromzufüh- rungsstangen verbunden werden, während diejenigen der jeweils darüber befindlichen Reihen, z.
B. 10 bis 40 cm, vorzugsweise 15 bis 25 cm höher liegenden Reihen, oder Reihe lediglich elektrisch leitend mit Hilfe von flexiblen Leitern an die Stromzuführungs- stangen angeschlossen werden.
Bei diesem Verfahren ist der Umstand berück sichtigt, dass auf einer gewissen Höhe der Anode die Verkokung der Kunstkohlemasse noch nicht völlig beendet ist. Sind die Kontaktbolzen in dieser Höhe mit den Stromzuführungsstangen starr und daher tragend verbunden, so kann es vorkommen, dass die Bolzenlöcher aufgeweitet werden und der elektrische Kontakt zwischen Kohleblock und Kontaktbolzen be einträchtigt wird.
Bei der erfindungsgemässen Anord nung besteht diese Gefahr nicht, da die elektrische Verbindung der Kontaktbolzen mit den Stromzufüh- rungsstangen durch flexible Leiter gewährleistet ist, so dass diese Kontaktbolzen am Tragen der Anode nicht teilnehmen. Als flexible Leiter dienen beispiels weise Bündel von Aluminium- oder Kupferbändern.
Die elektrisch leitende und mechanisch tragende Verbindung der Kontaktbolzen der unteren Reihen bzw. Reihe kann durch Verschraubung der Anoden- Stangen mit den üblicherweise verkupferten Bolzen- köpfen bewerkstelligt werden.
Die Löcher für die Aufnahme der Kontaktbolzen werden vorzugsweise bei der Herstellung der Blöcke aus ungebackener Kunstkohlemasse erzeugt. Zweck mässigerweise werden in jeden Kohleblock jeweils zwei Bolzenlöcher übereinander angeordnet; es kön nen aber im Kohleblock auch mehr als zwei Bolzen löcher übereinander oder auch nur ein Bolzenloch je Kohleblock vorgesehen sein. Besonders grosse Kohle blöcke können z.
B. mit vier Bolzenlöchern versehen sein, von denen zwei in der unteren Hälfte und zwei in der oberen Hälfte angeordnet sind.
Im Verlaufe des Absenkens der Anode nach Mass gabe ihres Verbrauches werden die oberen, frisch auf gelegten Blöcke unter dem Einfluss der hohen Tempe ratur im Aluminiumelektrolyseofen langsam erwärmt. Während dieser Erwärmung wird der Erweichungs- punkt der Masse durchschritten. Der Block zerfliesst zwar nicht beim Durchschreiten des Erweichungs- punktes und behält im wesentlichen seine Form bei.
Die Dimensionen der Bolzenlöcher können sich jedoch unter Umständen leicht verändern', so dass die später eingeführten Kontaktbolzen selbst unter Zuhilfenahme eines Anstriches der Bolzen, z. B. aus einem Gemisch von Graphit und Pech, nicht mehr an den Wandun gen der Bolzenlöcher genügend eng anliegen und der Stromübergang mangelhaft wird.
Aus diesem Grunde werden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in die Bolzen löcher der ungebackenen Blöcke Füllkörper aus ge eignetem Werkstoff eingesetzt. Zu diesem Zweck haben sich Füllkörper aus Aluminium sehr gut be währt. Diese Füllkörper dienen dazu, die Form des Bolzenloches zu erhalten, bis die Verkokung genü gend weit fortgeschritten ist.
Ist dieser Zustand erreicht, bei dem sich weder die Form des Blockes noch diejenige des Bolzenloches mehr ändern kann, werden die Füllkörper herausgenommen und an ihrer Stelle die Kontaktbolzen eingesetzt. Diese bestehen meistens aus Stahl und haben einen abgeflachten, verkupferten Anschlusskopf, der erfindungsgemäss zu nächst mit Hilfe von flexiblen Leitern an die Strom zuführung angeschlossen und später, wenn die Bolzen reihe die unterste Lage erreicht hat, mit den Strom zuführungsstangen elektrisch leitend und mechanisch tragend verbunden wird.
Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen zwei Ausfüh- rungformen des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die Anschlussteile in zwei senkrecht zueinander stehenden Ansichten dargestellt sind, in den Fig. 2 und 4 teilweise im Schnitt. Die Anode ist nur teil weise dargestellt. Es sind die Anodenblöcke 1, 2 und 3 erkennbar, ebenso die Klebestellen 4.
In den oberen Bolzenlöchern stecken Füllkörper 5 aus Alu minium, die mit der Seitenfläche der Blöcke bündig abschliessen und an ihrem Kopfende Stege 6 auf weisen, die den Ansatzpunkt für ein Werkzeug bil den, mit dessen Hilfe die Füllkörper später heraus gedreht werden. In Fig. 2 sind die Füllkörper 5 wie auch die Stahlbolzen 7, 8 und 9 nicht in ihrer ganzen Länge von z. B. 65 cm gezeichnet. Sie dringen z. B. 40 cm tief in die Anodenblöcke. Im unteren Bolzen- loch des Blockes 2 sind bereits Kontaktbolzen 7 an Stelle des Aluminiumfüllkörpers eingesetzt.
Diese Kontaktbolzen 7 sind jedoch noch nicht elektrisch angeschlossen, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist. Die Kontaktbolzen 8 bilden die zweitunterste Reihe und sind mit Hilfe von aus Aluminiumbändern bestehen den flexiblen Leitern 11 an die Stromzuführungs- und Aufhängungsstangen elektrisch angeschlossen, aber mit diesen nicht tragend verbunden. Dagegen sind die Kontaktbolzen 9 der untersten Reihe starr und daher sowohl elektrisch leitend als auch mechanisch tragend mit den Stromzuführungsstangen 12 ver schraubt.
Letztere sind oben an die Stromsammel- schienen angeschlossen. Die Anode wird daher mit Hilfe der Kontaktbolzen 9 und der Stromzuführungs- stangen 12 getragen.
Erst wenn die Anode so weit verbraucht ist, dass die Kontaktbolzen 9 herausgezo gen und weiter oben an Stelle von Aluminiumfüllkör- pern eingesteckt werden müssen, werden die Kontakt bolzen 8, deren Reihe nun die unterste Lage erreicht hat, mit dem untersten Ende der Stromzuführungs- stangen 12 mechanisch tragend verbunden, während die Kontaktbolzen 7 an die flexiblen Stromleiter 11 angeschlossen werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungs form der Verbindung der Kontaktbolzen. Die Kon taktbolzen 8 werden mit Hilfe von flexiblen Strom leitern 13 an die Stromzuführungsstange 14 elektrisch leitend angeschlossen, aber mit dieser nicht tragend verbunden, während die Kontaktbolzen 9 das Ge wicht der Anode tragen.
Die unteren Kontaktbolzen werden üblicherweise dann aus der Anode herausgezogen, wenn ihr Ab stand vom Schmelzbad nur noch wenige Zentimeter beträgt.
Es sind immer mehrere übereinander liegende Kontaktbolzenlagen an die Stromzuführungsstangen (Anodenstangen) gut elektrisch leitend angeschlossen, wobei mindestens eine Lage lediglich elektrisch lei tend angeschlossen ist und eine oder mehrere dar unter befindliche Lagen die Anode tragen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Blöcke in der Höhe so gegeneinander versetzt anzu ordnen, dass der eine Block gegenüber dem benach barten um eine halbe Blockhöhe höher bzw. niedriger angeordnet ist. Bei dem Aufstocken jeder neuen Blocklage bleibt diese zinnenartige Anordnung der Anodenoberfläche jeweils erhalten.
Es wird z. B. in dem Augenblick aufgestockt, wenn die Anode unten so weit abgebrannt ist, dass nur noch 4 bis 5 Blocklagen vorhanden sind.
Bei dem Pressen der Blöcke aus ungebackener Masse werden vorteilhafterweise in jeden Block zwei, vier oder noch mehr Bolzenlöcher in der vorgesehenen Anordnung miteingepresst, z. B. genau in der Mitte der unteren Hälfte und in der Mitte der oberen Hälfte. Infolgedessen werden die Kontaktbolzen jeder Reihe auf gleicher Höhe zu liegen kommen, da zu einer Strombolzenreihe abwechselnd der Kontakt bolzen des unteren Loches eines Blockes zum Kon taktbolzen des oberen Loches des benachbarten Blockes gehört und umgekehrt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass immer nur die waagrechte Fuge bei jedem zweiten Block dem Schmelzfluss ausgesetzt ist, wenn die untere Fläche der Anode bis zur Fuge ab gebrannt ist. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen diese Verhältnisse. Aus Fig. 6 geht hervor, wie weit die Bolzen in die Kohlenblöcke beispielsweise hineinrei chen. Ausserdem erkennt man, dass in diesem Bei spiel die Kohleblöcke auch waagrecht gegeneinander versetzt sind.
Selbstverständlich kommen auch Blöcke in Frage, welche die gesamte Breite oder die gesamte Länge der Anode einnehmen. Bei rechteckigen Anoden mit länglichem Querschnitt, wie sie üblich sind, können die Stromzuführungsbolzen entweder nur an den bei den Längsseiten oder aber zusätzlich auch an den Stirnseiten angeordnet werden.