NO178309B - Kullelektrode med gasstett, temperaturbestandig beskyttelsesklokke, anvendelse derav, samt fremgangsmåte ved smelteelektrolyse under anvendelse av kullelektroden - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kullelektrode for smelteraffineringselektrolyser som er omgitt av en selvbærende, gasstett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke.

Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte ved smelteelektrolyse under anvendelse av en kullelektrode som angitt ovenfor.

Oppfinnelsen angår også anvendelsen av de ovenfor beskrevne kull-elektroder.

Ved smelteraffineringselektrolyser som for eksempel ved 3-sjiktselektrolyse for raffinering av aluminium anvender man som katoder vanligvis kullelektroder. Disse elektroder senkes umiddelbart ned i det smeltede katodemetall. På grunn av den høye elektrodetemperatur og den uhindrede tilgang på luftoksygen skjer det en meget sterk avbrenning av karbonet umiddelbart over smelteoverflaten. Elektrodetverrsnittet kan derved reduseres så sterkt at den nedre del av elektroden brekker av. Dette fører totalt sett til et betydelig karbonforbruk på ca. 8 %, beregnet på den oppnådde metallmengde. For å redusere dette høye karbonforbruk må tilgangen på luftoksygen forhindres. For dette formål er det til nu foreslått flere metoder.

Ved impregnering av kullelektrodene, for eksempel med boraks eller fosfater, kan karbonforbruket reduseres til ca. 4 %. I dette tilfelle blir dog katodemetallet forurenset på grunn av impregneringsmidlet.

Belegning henholdsvis omstøping av kullelektrodene med allerede raffinert aluminium gir ingen tilstrekkelig beskyttelse mot oksygen. Aluminium kan ved de gitte tempera-turer smelte av fra elektrodeoverflaten slik at karbonet under beskyttelsessjiktet brenner av.

Som ytterligere mulighet er det foreslått å utstyre kullelektrodene direkte med et flere millimeter tykt keram-sjikt, for eksempel ved plasmasprøyting. Den forskjellige varme-utvidelse mellom kull og keram førte imidlertid til en ødeleggelse av keram-sjiktet under varmebelastning.

Foreliggende oppfinnelse har derfor til oppgave å tilveie-bringe en kullelektrode som effektivt og varig er beskyttet mot oksygentilgang slik at karbonavbrenningen kan reduseres til verdier på ca. 1 %. Derved skal det ikke innføres for-urensninger i katodemetallet.

Denne oppgave oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en kullelektrode av den innledningsvis beskrevne art og denne kull-elektrode karakteriseres ved at den er omgitt av en selvbærende, gass-tett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke .

Som nevnt innledningsvis angår oppfinnelsen også en fremgangsmåte ved smelteelektrolyse under anvendelse av en kullelektrode ifølge krav 1 som er omgitt av en selvbærende, gasstett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke, hvorved avstanden mellom den i smeiten innførte underside av elektroden og underkanten av klokken minst utgjør 10 mm, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at kull-elektroden settes i drift ved de følgende skritt i elektrolyseovnen: a) forvarming av elektroden i ovnen over smeiten i et tidsrom på 6-10 timer, b) innføring av den nedre del av kullelektroden i smeiten og oppvarming uten direkte kontakt mellom beskyttelsesklokke

og smelte i et tidsrom på 6-10 timer, og

c) ytterligere innføring av elektroden inntil også beskyttelsesklokken er innført i smeiten.

Kull-elektroden som beskrevet ovenfor finner særlig anvendelse som katode for smelte-raffinerings-elektrolyse, særlig for tresjikts-elektrolyse for raffinering av aluminium.

Oppfinnelsens grunntanke er å omgi kullelektroden med en selvbærende beskyttelsesklokke av et mest mulig gasstett og temperaturbestandig materiale. Derved menes med "selvbærende" en beskyttelsesklokke som holdes i avstand fra elektroden, eventuelt også over en avstøttende innretning. Elektrode og beskyttelsesklokke rager felles inn i katodemetallet slik at elektroden er fullstendig isolert fra omgivelsesluften.

Beskyttelsesklokken må være utført i selvbærende form og må ikke ligge tett an mot elektroden da beskyttelsesklokken ellers ville kunne ødelegges på grunn av differanser i varmeutvidelsen mellom karbon og keram. Avstanden mellom ytterflatene til elektroden og innerflatene i beskyttelsesklokken bør utgjøre minst 1 mm. Under denne verdi foreligger det en fare for at metallsmelten kan stige opp i mellomrommet på grunn av kapilarvirkning og størkne i koldere områder. Dette kan føre til ødeleggelse av beskyttelsesklokken og begrense klokkens gjenanvendbarhet.

Som egnet materiale for beskyttelsesklokken har en AI2O3-keram med et A^Os-innhold på > 99,7 vekt-# og en total porøsitet på < 5 % vist seg gunstig. Dette materiale er tilstrekkelig tett til å hindre tilgang av luftoksygen. Den høye renhet sikrer at det ikke føres inn forurensinger i katodemetallet. For en god mekanisk stabilitet for montering og behandling av klokken er det nødvendig med en minimal veggstyrke på 5 mm.

Beskyttelsesklokken må på tross av den sammenligningsvis høye termosjokkbestandighet forvarmes før innføring i smeiten for å hindre skader. Oppfinnelsens kullelektrode tillater i en foretrukket utførelsesform en økonomisk forvarming umiddelbart i elektrolyseovnen. I dette tilfelle omgir klokken ikke den totale mantelflate av kullelektroden men slutter i en bestemt avstand fra den i smeiten innragende side av elektroden. Denne avstand utgjør minst 10 mm. Den totale elektrode blir innført i elektrolyseovnen og først forvarmet over smeiten i et tidsrom på 6-10 timer. Derefter blir den nedre del av kullelektroden ført inn i smeiten hvorved klokken fremdeles ikke har noen direkte kontakt med smeiten. I denne posisjon blir elektroden oppvarmet ytterligere i løpet av 6-10 timer. Til slutt blir elektroden senket så langt at også beskyttelsesklokken rager inn i smeiten. Den maksimale avstand mellom underkant av elektroden og underkant av klokken begrenses av sjikthøyden til det flytende katodemetall• Avstanden bør ikke vesentlig over-skride en verdi på 30 mm.

Oppfinnelsens kullelektrode utføres fortrinnsvis i sylindrisk form. Den kan fordelaktig anvendes som katode i smelte-raffineringselektrolysemetoder. Derved egner den seg spesielt som katode for tresjiktselektrolyse for raffinering av aluminium. I dette tilfellet kan karbonforbruket reduseres til ca. 1 %, beregnet på den fremstilte metallmengde. Ytterligere fordeler ved oppfinnelsen er lang levetid og gjenanvendbarhet av klokken samt unngåelse av forurensing av katodemetallet.

Et utførelseseksempel beskrives nærmere nedenfor under henvisning til tegningen.

Figur 1 viser en bruksferdig montert kullelektrode med en keramisk beskyttelsesklokke ifølge oppfinnelsen. Kullelektroden er av sylindrisk form. På strømtilførselssiden er stampet inn en kobbernippel (7) ved hjelp av en grafitt-stampemasse (8) i elektroden (1). Beskyttelsesklokken (2) består av en A^Os-keram med et Al203~innhold på > 99,7 vekt-% og en total porøsitet på < 5 %. Den har rørform og er anordnet konsentrisk rundt kullelektroden. Beskyttelsesklokken (2) oppviser i den ene ende en radialt innoverragende og omløpende krave (9). Festingen av klokken (2) skjer under påskruing av kraven (9) og kobbernippelen (7) ved hjelp av en mutter (10). Sammenskruingen avtettes via trykkskiver (11 og 12) med temperaturbestandige tetningsringer (13, 14 og 15) og tettemasse (16). Avstanden mellom elektrodemantelen (3) og innerflaten (4) til beskyttelsesklokken (2) utgjør 1 til 5 mm. På den side som skal føres inn i smeiten rager kull-elektroden frem av beskyttelsesklokken (2). Avstanden mellom elektrodeunderkant (5) og underkant (6) av beskyttelsesklokken er 30 mm.

Claims (10)

1. Kullelektrode for smelteraffineringselektrolyse, karakterisert ved at kullelektroden (1) er omgitt av en selvbærende, gasstett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke (2).

2. Kullelektrode ifølge krav 1, karakterisert ved at beskyttelsesklokken (2) i det vesentlige består av AI2O3 med et Al203-innhold på > 99,7 vekt-#.

3. Kullelektrode ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at materialet i beskyttelsesklokken (2) oppviser en totalporøsitet på maksimalt 5 %.

4 . Kullelektode ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at avstanden mellom ytterflaten (3) av kullelektroden (1) og innerflaten (4) til beskyttelsesklokken (2) utgjør 1-5 mm.

5 . Kullelektrode ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den minimale veggtykkelse i beskyttelsesklokken (2) er 5 mm.

6. Kullelektrode ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at kullelektroden

(1) og beskyttelsesklokken (2) har en sylindrisk form.

7. Kullelektrode ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at avstanden mellom den i smeiten innragende underside (5) av elektrode

(1) og underkanten (7) av beskyttelsesklokken (2) er minst 10 mm.

8. Fremgangsmåte ved smelteelektrolyse under anvendelse av en kullelektrode ifølge krav 1 som er omgitt av en selvbærende, gasstett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke (2), hvorved avstanden mellom den i smeiten innførte underside (5) av elektroden (1) og underkanten (6) av klokken (2) minst utgjør lOmm, karakterisert ved at kull-elektroden settes i drift ved de følgende skritt i elektrolyseovnen : a) forvarming av elektroden i ovnen over smeiten i et tidsrom på 6-10 timer, b) innføring av den nedre del av kullelektroden i smeiten og oppvarming uten direkte kontakt mellom beskyttelsesklokke og smelte i et tidsrom på 6-10 timer, og c) ytterligere innføring av elektroden inntil også beskyttelsesklokken er innført i smeiten.

9. Anvendelse av en kullelektrode som er omgitt av en selvbærende, gasstett og temperaturbestandig beskyttelsesklokke (2) , som katode for smelteraffineringselektrolyse.

10. Anvendelse av en kullelektrode ifølge krav 9 som katode for 3 sjiktselektrolyse for raffinering av aluminium.