Primäraluminiumproduktion

Die Stirnwände des Ofens sind hohen Temperaturen ausgesetzt, insbesondere während der Wärmeübertragung aus den Feuerkanälen sowie im gesamten Brennzyklus. In diesem Bereich treten starke thermische Spannungen und ein erhöhtes Rissrisiko infolge von Temperaturunterschieden zwischen dem Ofeninneren und der Umgebung auf. Die in dieser Zone eingesetzten Materialien müssen eine hohe strukturelle Stabilität, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Thermoschocks sowie eine begrenzte Aufnahme von Natrium- und Fluorverbindungen aufweisen.

Die Feuerkanäle stellen den thermisch am stärksten belasteten Bereich des Ofens dar. In ihrem Inneren strömen heiße Gase und Flammen, die die Wärme in die Brennkammern übertragen. In dieser Zone kommt es zu einer intensiven Infiltration reaktiver Gase aus dem Anodenmaterial sowie zur Bildung einer glasigen Degradationsphase. Die Ausmauerung muss daher eine niedrige Porosität, eine hohe Beständigkeit gegen die Penetration von Natriumdämpfen und Fluorverbindungen sowie eine langfristige Maßstabilität unter hohen Temperaturen und wechselnden thermischen Belastungen gewährleisten.

Der Ofenboden ist für die Aufnahme des Gewichts der Beschickung sowie des Füllmaterials verantwortlich. Dieser Bereich ist einer langfristigen thermischen Belastung, dem Kontakt mit flüchtigen organischen und anorganischen Verbindungen sowie der möglichen Ansammlung von Kondensaten und Verunreinigungen ausgesetzt. Die in dieser Zone eingesetzten Materialien sollten sich durch eine hohe Kriechbeständigkeit sowie gute wärmedämmende Eigenschaften auszeichnen.

Die obere Auskleidungsschicht dient dem thermischen Schutz der Brennzone und der Minimierung von Energieverlusten. Gleichzeitig erfüllt sie eine funktionale Rolle im Feuerungssystem des Ofens. Aufgrund der vorhandenen Brenner können in diesem Bereich lokale Überhitzungen und Thermoschocks auftreten. Die hier eingesetzten Materialien müssen eine geringe Wärmeausdehnung, eine hohe Beständigkeit gegen Heiz- und Kühlzyklen sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Stirnwände befinden sich an den Enden der Brennkammern und fungieren als konstruktive Elemente, die das System abschließen. Sie sind hohen Temperaturen, wechselnden thermischen Belastungen sowie mechanischen Spannungen infolge der Wärmeausdehnung der gesamten Konstruktion ausgesetzt. Die in dieser Zone eingesetzten Materialien müssen eine hohe Beständigkeit gegen Thermoschocks, Maßstabilität sowie Dauerhaftigkeit bei langfristiger Hochtemperaturbeanspruchung gewährleisten.

Die Heizkanäle sind ein zentrales Element für den Wärmetransfer zur Beschickung. Die in dieser Zone eingesetzten Materialien müssen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Kriechverformung und Deformationen sowie durch eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturwechseln auszeichnen.

Der Ofenboden ist hohen mechanischen Belastungen durch die Beschickung sowie der Prozesstemperatur ausgesetzt. Zusätzlich kann es in diesem Bereich zur Ablagerung mineralischer Verbindungen und von Verunreinigungen aus dem Füllmaterial kommen. Die Ausmauerung in dieser Zone muss eine hohe Druckfestigkeit, Abriebfestigkeit sowie eine niedrige Wasseraufnahme aufweisen, um eine langfristige Degradation während des Betriebs zu vermeiden.

Die Abgaskanäle sind für die Ableitung der während des Brennprozesses entstehenden Gase verantwortlich. Aufgrund des Kontakts mit einer Mischung aus Abgasen kann es hier zu Korrosion, Kondensation aggressiver Bestandteile sowie zu volumetrischen Veränderungen des feuerfesten Materials kommen. Die in dieser Zone eingesetzten Materialien müssen eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Prozessgasen, chemische Stabilität sowie eine gute Dichtheit aufweisen, um das Eindringen von Verunreinigungen in die Ofenkonstruktion zu begrenzen.

Die Barrierschicht befindet sich unterhalb der Kohlenstoffelektroden (Kathoden) und hat die Hauptaufgabe, das Eindringen des Elektrolytbads in die darunterliegenden Isolierschichten zu verhindern. Die in dieser Zone eingesetzten feuerfesten Materialien müssen sowohl eine hohe Dichtheit als auch eine chemische Beständigkeit gegenüber flüssigem Aluminium sowie Natrium- und Fluorverbindungen gewährleisten. Besonders wichtig ist die Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen des Elektrolytbads und des flüssigen Metalls, da deren Penetration in tiefere Schichten zu Erosion, Verlust der Isoliereigenschaften und in der Folge zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Elektrolysezelle führen kann.

Die Hauptfunktion der Isolierschicht besteht darin, den Wärmeverlust aus der Elektrolysezelle zu begrenzen und stabile thermische Bedingungen für den Prozess aufrechtzuerhalten.

Die Arbeitsauskleidung steht in direktem Kontakt mit flüssigem Aluminium und stellt den am stärksten beanspruchten Teil der Auskleidung dar. Sie ist intensiver Metallbeanspruchung, möglichem Kontakt mit Oxiden sowie lokalen Überhitzungen insbesondere im Wand- und Auslaufbereich ausgesetzt. Ein häufiges Risiko ist das Eindringen von flüssigem Aluminium in die Struktur des feuerfesten Materials, was zu einer Schwächung, Delamination oder Rissbildung führen kann. Die in dieser Schicht eingesetzten Materialien müssen eine hohe Beständigkeit gegen metallische Korrosion, eine geringe Benetzbarkeit durch flüssiges Aluminium sowie eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Materialien mit niedriger Porosität und hoher chemischer Reinheit sind besonders zu empfehlen.

Diese Schicht trennt die Arbeitsauskleidung vom äußeren Stahlmantel der Pfanne. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Wärmeverluste während des Transports des flüssigen Metalls zu minimieren. Gleichzeitig übernimmt sie eine kompensierende Funktion bei thermischen Zyklen und reduziert Spannungen innerhalb der Auskleidungsstruktur. In dieser Zone werden in der Regel leichte feuerfeste Materialien oder Dämmplatten eingesetzt, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, Beständigkeit gegen Heizzyklen sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit bei geringer Rohdichte gewährleisten müssen.