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Dans le brevet belge n. 543.739 on décrit l'utilisation d'un type particulier d'anode à trois couches ainsi qu'un procédé pour reconstituer périodiquement cette anode dans les fours à cellules multiples à structures d'électrodes bi- polaires consommables anodiquement, mais fixes. Ce type dtano.- de à trois couches comportant deux couches solides et une couche liquide est particulièrement utile pour ltélectrolyse de l'alumine dissoute dans des sels fondus. L'anode comprend de préférence une couche permanente et fixe de "charbon" (de préférence de graphite) qui, dans les électrodes bipolai- res (électrodes intermédiaires) forme une seule pièce avec le "charbon" cathodique.
(Les mots "charbon", "charbon d'élec- trodes", ou "charbon anodique", désignent ici toute substance à base de carbone amorphe, de graphite ou d'une masse ou ag- gloméré carboné qui est susceptible de jouer le rôle d'élec- trode anodique, d'électrode cathodique ou d'électrode bipo- laire). Contre cette couche anodique permanente et fixe s'ap- puie, du côté du bain, une deuxième couche anodique solide qui est consommable et reconstituable et qui. est formée dtun '=charbon anodiquo" ouit à l'avance, maintenu en place par la force ascensionnelle que lui donne le bain fondu.
(Ci-après, l'expression "couche anodique active" servira à désigner la partie de la deuxième couche qui, étant en contact avec le bain électrolytique, est soumise à une consommation électro- lytique, et l'expression "assemblage de reconstitution anodi- que" sera utilisée pour désigner la deuxième couche, ou char- bon de reconstitution, et n'indique pas seulement la "couche anodique active" telle qu'elle est définie ici, mais aussi une portion émergeant du bain ou protégée du contact avec ce- lui-ci, ainsi qu'il apparaîtra ci-après).
Entre ces deux couches de "charbon", qui peuvent même sa toucher en certains points, est interposée une couche liquide,
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de manière à remplir complètement l'espace formé entre les deux couches de charbon solide.
La mince couche liquide intermédiaire est formée d'une ou plusieurs substances fondues, parmi celles qui sont déjà présentes dans la cellule d'électolyse (par exemple bain fondu ou aluminium fondu ou les deux ensemble). le résistance de cette couche au passage du courant électrique (aentinu) est faible; colle des deux couches solides est négl. Jable.
La couche de charbon consommable et reconstituable déarrte dans le brevet déjà cité peut être constituée par une seule plaque d'épaisseur uniforme, ou par plusieurs morceaux indi- viduels formant la plaque ou couche, et qui sont également uniformes et d'une épaisseur égale. Cette couche de roconsti.. tution doit être périodiquement introduite et mise en place dans la cellule.
On opère de préférence la reconstitution quand la couche solide consommable est presque complètement consommée par l'effet de l'électrolyse.
L'alumine, en se décomposant par électrolysa, donne du métal et brûle le charbon anodique:
EMI2.1
2 Al203 --------., 4 Al + 3 2 ( dé co mpositio n électrolytique théonque) 2 02 + 2 0 ##### 2 Ôo (réaction anodique théorique) - L'aluminium formé est libéré à la cathodo et s'écoule vers le bas. %'oxygène brûle le charbon anodique, et les gaz CO2 et 00 ainsi formés.tendent à monter dans le bain et à se dégager par le haut. L'opération de reconstitution anodiquo oblige à ouvrir le four et les cellulos individuelles, et à introduire dans le bain los charbons de reconstitution, :Cela- tivemont froids. On rencontre aussi d'autres inconvénients..
L'invention fournit une cellule pour la fabrication, électrolytique des métaux à partir de composés fondus, qui
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comprond deux électrodes dont les faces actives sont opposées, inclinées, pratiquement planas et parallèles, l'anode compre- nant une couche active consommable électrolytiquement et re- constituable qui repose contre un bloc d'électrode fixe, cet- te cellule étant caractérisée par le fait que la surface con- tre laquelle repose ladite coucho forme un angle dièdre aigu avec la plan de la face opposée (cathodique) de l'électrode des moyens étant prévus pour amener à l'anode une couche do reconstitution, de haut en bas et parallèlement à ladite surface, à mesure quo la couche se consomme électrolytique- ment,
et des moyens étant prévus aussi pour limiter la descen- te de la couche de reconstitution au niveau nécessaire pour qu'elle réoccupe l'espace laissé par la consommation électro- lytique.
De préférence, la face de la couche de reconstitution qui repose contre le bloc fixe d'électrode, et la face opposée li- bro de cette couche, sont toutes deux inclinées du m8me o8té par rapport à un plan vertical, la face libre et active,fai- sant face au bain étant disposée vers la bas. Ainsi, la cou- che de reconstitution peut avoir une section transversale triangulaire, son sommet étant disposé vers le bas. La couche peut avantageusement être constituée par plusieurs blocs su- perposés.
Ou, si}'on veut, la face do la couche do reconstitution qui repose contre le bloc fixe d'électrode, et la face oppo- sée libre, sont inclinées on sens opposé par rapport à un plan vertical.
Les moyens d'amenée de la couche de reconstitution com- prennent do préférence un guide dont l'axe est parallèle au plan do l'électrode contre lequel repose la couche do racons- titution. le guida peut avantageusement être construit en ma- tière réfractaire, et être muni d'un couvercle en matière thermo-isolante.
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Los moyens servant à limiter la descente do la couche de reconstitution comprennent do préférence un graden prévu au fond de l'intervalle existant entre les électrodes'. la couche de reconstitution peut être forcée de charbon d'électrode cuit à l'avance, ou de pâte Sôderber cuito. Dans ce dernier cas, les guides sont avantageusement d.. blés de tôle pour faciliter le glissement de la coucha.
Suivant une autre caractéristique de l'invention en peut prévoir plusieurs gouttières inclinées dans le bioc- d'électrode, ces canaux permettant un écoulement limité de métal fondu formé sur la face cathodique, vers la face contre laquelle repose la couche do reconstitution, afin de pénétrer dans l'espace entre la face ot la couche,,. Le métal fondu si- tué dans cet espace jouo le rôle de lubrifiant et facilita le glissement de la couche de reconstitution; il facilite aussi la passage du courant électrique entre la bloc fixe d'élec- trode et la couche, en réduisant la chute de tension locale.
Lrinvention fournit encore un four pour la fabrication électrolytique des métaux à partir de sels fondus, qui com- prend au moins une cellule du type défini ci-dessus.
L'invention fournit en outre un procédé pour la fabrica- tion électrolytique de métaux à partir de sels fondus dans des fours à cellules multiples munis dtanodes consommables, dans lequel on opère la reconstitution anodique en amena- d'en haut une couche anodique de reconstitution, et on la faisant glisser le long dlun plan qui fait un angle aigu avec le plan de la face à reconstituer, cette couche de reconsti- tution descendant par son propre poids et maintenant un écar- tement constant entre les électrodes.
On décrira ci-après, à titre d'exemple, certaines for- mes de réalisation de l'invention, en se référant au dessin annexé.
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La fig. 1 est une coupe verticale prise suivant la li- gne 0-0 des fig. 2 et 3, montrant plusieurs cellules conti.. guës d'un four à cellules multiples muni d'électrodes bipo- laires fixes du type décrit par exemple dans les brevets belges ? 534. 969 et N 548.465, mais modifiées suivant la présente invention.
La fig,2 est une vue partielle en plan et partielle- ment en coupe de deux cellules, suivant la ligne A-A de la fige 1.
La fige 3 est une coupe suivant la ligne B-B de la fig.l.
La fig. 4 est une coupe verticale de plusieurs cellules contiguës d'une autre variante de four à cellules multiples à électrodes bipolaires suivant la présente invention.
Si l'on considère la fig. 1, les cellules individuelles d'un four à cellules multiples, pour l'électrolyse de l'alu- mine dissoute dans des sels fluorés fondus, comprennent es- sentiellement deux électrodes bipolaires inclinées 9, proches l'une de l'autre et munies de couches anodiques extérieures à auto-reconstitution 1, 2, 3, 4, 5,6 ou 27. Les portions permanentes 9 de ces électrodes sont faites de graphite, les portions reconstituables 1, 2, 3, 4, 5 et 6 sont faites de charbon d'électrode cuit à l'avance, ou bien de pâte Sôder berg cokéfiée si elles sont d'une seule pièce comme en 27.
Les électrodes bipolaires ntont pas de conducteurs mé- talliques, et il n'y a aucun dispositif mécanique prévu en dehors du four pour faire varier la distance entre électrodes. l'assemblage de reconstitution anodique 1, 2, 3, 4, 5m 6 ou 27, qui présente une densité inférieure à 1,6, est poussé vers le haut par le bain qui a une densité supérieure à 2, contre la portion émergeant du bain de l'assemblage de reconstitution anodique, éventuelle ment aussi contre la portion permanente de l'électrode.
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L'espace compris entra .': aS:t:'ii!.:(,.L!; ',' :,.:.wJ.i<l ,.,1 (..'; .ië7.ec- trode permanente correspondante est #i; , .lz.e ::6\}):;..t.":' .11 un ou plusieurs liquides présents dans la ']61J.1'(:.8 (par ")'/:e;ffi-ry16 bain fondu ou métal fondu), et 1<;r:ww aii;si une !il:' ;0 ciiJ,>,1:a inter- médiaire 29 entre 1 tanoa.a da oharbon à -; co, tutiou et 1.1 anode de charbon permanent. Entre les électrv< -1 deux à deux (rapprochées l'une de loutre) sa trouva 1' paoo antre électrodes, ou interstice d1 élect.rolyse 14 dest au bain fondu, espace qui communique dans le bas aT6C la cf.e;l1:'l',; férieure 12 servant à recueillir l1aluminium fon.d. 1l et qui est munie de trous de soutirage 10.
La chambre inférieure et l'espace entre électrodes (sauf les parois d'électrode actives formées par les char- bons bipolaires) sont revêtus de matière inerte13, 15, qui est inerte vis-à-vis du bain et du métal, qui est imperméa- ble et aussi électriquement isolante, et résiste à la tempé- rature du bain.
Des blocs 19 de cette matiérs inerte et imperméable sont prévus au-dessus des charbons d'électrode, et des ca- naux 17 assurent la communication entre les cellules et per- mettent au bain de circuler (voir flèches 18,Une couche thermo-isolante 24 est prévue sur les blocs 19., et elle est revêtue de matière inerte 28 aux points où elle entre en con- tact avec le bain (par exemple, de magnésite dense fe ...le électriquement et frittée à très haute température, et/ou traitée suivant la demande de brevet belge prise aux mêmes noms le 28 décembre 1957, et ayant pour titre "Réfractaires capables de résister aux bains fondus agressifs et traitement pour les obtenir" ou de toute autre matiere appropriée se trouvant dans le commerce,par exemple les matières réfrac- taires en carbure de silicium liées avec du nitrure de sili- cium) .
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L'interstice d'électrodes communique dans le haut avec une chambre collectrice de gaz 20 qui s'évase vers le haut et contient du bain dans sa portion inférieure. Les parois de cette chambre sont formées de matière inerte 19, 28. La cham- bre 20 à son tour communique dans le haut avec une chambre supérieure d'où les gaz sont évacués par des sorties 21.
La chambre 20 est de préférence séparée de la chambre supérieure par des plaques amovibles (non représentées sur le dessin), faites de matière poreuse qui permet la sortie des gaz d'électrolyse; mais on peut-en outre prévoir des pas- sages dégagés dans les plaques.
Les plaques qui forment le plafond des cellules peuvent être faites, par exemple, d'une matière formée de magnésie et/ou d'amiante, donc d'une matière qui a de très bonnes pro- priétés d'isolement thermique à des températures de l'ordre de 1000 C. Elles doivent de préférence être construites et façonnées de façon telle quelles maintiennent le coussin de. gaz au-dessus du bain à une ,température suffisamment élevée pour éviter une solidification superficielle du bain.
%?anode reconstituable est faite de matière carbonée qui est attaquable électrolytiquement et qui est en elle-même connue (par exemple du charbon anodique cuit à l'avance, ou de la pâte sôderberg cokéfiée).
La chambre supérieure est recouverte d'une couche thermo- isolante 22 dans laquelle on a prévu, à l'endroit de chaque cellule, trois ouvertures dont chacune est fe rmée par un cou- vercle facile à enlever, 23, fait de matière qui a un très bon isolement thermique (par exemple de porosite ou d'alumi- ne). En enlevant les couvercles, on a accès à une conduite 26 en matière réfractaire qui communique avec une cheminée inclinée 25 qui est formée de matière inerte au moins dans sa portion inférieure en contact avec le bain.
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Les flèches 16 indiquent schématiquement le trajet du courant électrique qui, en venant de l'électrode biperaire permanente et fixe en graphite, traverse la mince couche li- quide de contact 29 pour arriver dans l'anode amvible quitte la face anodique consommable de celle-ci pour en@@ dans l'espace ou interstice entre électrodes correspondants,@ (deux cellules en amont de l'interstice désigné par 14 sur la fig.l), rempli de bain fluoré fondu, et entre dans l'électrode iro- laire adjacente, permanente et fixe en graphite, à travers - face cathodique de celle-ci qui est dirigée vers le haut, et ainsi de suite.
Les flèches 18 indiquent schématiquement le sens d'écou- lainent (circulation principale) du bain d'électrolyse, sens qui est ici indiqué comme étant opposé à celui du courant électrique.
Si l'on considère maintenant la f ig. 4, l'anode reconsti= tuable (qui a une section triangulaire dont le sommet est di- rigé vers le bas), présente initialement une plus grande épaisseur, parce que l'inclinaison de la couche liquide de contact entre l'anode permanente et l'anode reconstituable est renversée, De petits canaux 30, indiqués dans les élec- trodes bipolaires permanentes, détournent une petite propor- tion de l'aluminium formé à la.cathode vers la couche liquid intermédiaire; cela réduit à des valeurs négligeables les chutes de tension ohmiques dues au passage du courant élec- trique à travers la couche de bain liquide anodique intermé- diaire. Cette modification convient pour faire arriver, dten haut, une pâte sôderberg crue, fondue ou solide.
Le mode de fonctionnement d'un four suivant la présente invention est le suivant :
Le four étant rempli de métal et de bain fondu, on le porte à la température de travail, de 900 à 1000 0, et on le
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maintient à cette température, par exemple au moyen d'un cou- rant alternatif. Puis, on dispose l'assemblage anodique re- constituable dans chaque cellule, en introduisant par le haut, à travers les cheminées, les couches anodiques reconstitua- bles, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 27 (donc, en plusieurs morceaux ou en un seul morceau).
Etant donné que le charbon anodique a une densité d'environ 1,5 et que le bain a une donsité dten- viron 2, la force' ascensionnelle donnée par le bain aura pour effet de pousser vers le haut les éléments individuels, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou l'assemblage unique 27, de sorte que tout l'as- semblage s'appuiera contre la face de l'électrode bipolaire permanente qui est dirigée vers le bas (fig. 1) . En appuyant par le haut, il est facile de pousser l'ensemble vers le bas jusqutà ce que la pointe 7 arrive en contact avec un gradin 8 constitué par la couche inerte qui sert de base à'l'électrode bipolaire. Après avoir répété cette opération pour chaque cel- lule individuelle, on peut mettre 11 électrolyse en route.
On remplace le courant alternatif par un courant conti- nu, de sorte que les surfaces actives des électrodes bipolai- res qui sont dirigées vers le haut jouent le rôle de cathode, et que celles qui sont dirigées vers le bas jouent le rôle d'anode. On fait alors fonctionner le dispositif de circula- tion de bain, et les dispositifs d'alimentation en alumine (les uns et les autres n'étant pas représentés sur le dessin).
A mesure que l'électrolyse progresse, l'aluminium formé à la cathode s'écoule vers le bas et est recueilli dans la chambre inférieure, d'où il est évacué à travers les canaux individuels 10.
La distribution de courant dans les électrodes, ainsi que l'attaque électrolytique de la surface anodique active, ont lieu avec la même intensité èn tous les points de la sur- face anodique active de l'assemblage anodique, de sorte que
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l'assemblage anodique de reconstitution présent initialement, 3, 4, 5, 6 est régulièrement consommé du cété du bain.Lar suite, la pointe 7 reculerait théoriquement jusqu'à la posi- tion 7'. mais la poussée exercée par le haut ost suffisante pour que tout l'assemblage glisse lentement vers bas, de façon Telle que la pointe 7' occupe la position 7.
@ la pres- sion exercée de haut on bas, telle qu'elle est représentée par la composante active (parallèle aux parois de la @@inée) du poids de la portion de l'assemblage- anodique qui se proue en dehors du bain, surmonte la force ascensionnelle de la por- tion de l'assemblage anodique qui est immergée dans le bain, on obtient un assemblage anodique de reconstitution à ajuste- ment automatique, qui maintient automatiquement constante la distance entre les surfaces anodiques actives et les surfaces cathodiques de tout interstice entre électrodes.
'
Si l'assemblage de reconstitution anodique est formé d'un certain nombre de petits blocs de charbon anodique cuit à l'avance, il suffira de compenser la consommation de char- bon anodique en ouvrant périodiquement le couvercle et on introduisant un nouveau petit bloc 1 dans l'ouverture 26 lors- que le petit bloc qui occupait précédemment la position 1 a descendu jusqu'à la position 2 à cause de la consommation des électrodes* On peut le faire en utilisant le minimum de main d'oeuvre, sans perturber l'équilibre thermique du four et la cellule, ni la régularité de l'électrolyse, et sans occa- sionner dos variations des niveaux de liquide.
On peut superposer simplement le nouveau bloc 1 au bloc 2, ou bien on peut appliquer un liant approprié entre l'un et l'autre bloc (par exemple de la pâte Sôderbarg, du brai de houille), pour rendre l'assemblage anodique plus rigide.
Si, au contraire on utilise l'assemblage anodique d'auto- reconstitution formé d'un seul bloc triangulaire de pâte
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Sôderberg, on compense la consommation anodique en procédant de façon analogue à ce qui a déjà été dit, mais en utilisant de petits blocs de pâte sôderberg au lieu d'anodes cuites à 1 avance. Il est possible aussi d'utiliser, pour être intro- duite dans les guides inclinés, de la pâte Sôderberg fondue, et en pareil cas il est'préférable de doubler de plaques mé- talliques les parois intérieuros de la cheminée dans la por- tion supérieure et en descendant jusqu'à un niveau un peu supérieur à celui du bain.
Comme on le comprendra, la présente invention fournit la solution du problème de, l'ajustement automatique de l'espa- cement entre électrodes et de la reconstitution anodique à ajustement automatique et continu pendant l'électrolyse avec des anodes consommables, avec une constance parfaite de ltes- pacement entre les électrodes de la cellule, qui n'est per- turbé ni par la consommation anodique progressive, ni par les reconstitutions anodiques successives. Ce résultat sur- prenant est obtenu sans avoir à faire appel à un dispositif d'ajustement ou de réglage extérieur au-four. De plus, la structure anodique permanente (qui, dans chaque électrode, bi- polaire intermédiaire, fait corps avec la cathode) est main- tenue fixe et stationnaire.
Il est entendu que les formes de réalisation décrites et représentées ici servent simplement d'exemples, et que l'invention comprend toutes les variantes qui réalisent les mêmes principes, pour maintenir automatique- ment constante la distance entre les électrodes.
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In Belgian patent no. 543,739 describes the use of a particular type of three-layer anode as well as a method for periodically reconstituting this anode in multi-cell furnaces with anodically consumable, but fixed, bi-polar electrode structures. This type of three-layered tano- de with two solid layers and one liquid layer is particularly useful for the electrolysis of alumina dissolved in molten salts. The anode preferably comprises a permanent, fixed layer of "carbon" (preferably graphite) which in the two-pole electrodes (intermediate electrodes) forms a single piece with the cathode "carbon".
(The words "carbon", "electrode carbon", or "anodic carbon" here designate any substance based on amorphous carbon, graphite or a carbonaceous mass or agglomerate which is liable to play the role of role of anode electrode, cathode electrode or bipolar electrode). Against this permanent and fixed anodic layer rests, on the bath side, a second solid anodic layer which can be consumed and reconstituted and which. is formed of a '= anodic carbon "read in advance, held in place by the upward force given to it by the molten bath.
(Hereinafter, the expression "active anode layer" will be used to designate the part of the second layer which, being in contact with the electrolytic bath, is subjected to electrolyte consumption, and the expression "anodic reconstitution assembly. - that "will be used to denote the second layer, or reconstitution carbon, and does not indicate only the" active anodic layer "as defined here, but also a portion emerging from the bath or protected from contact with this, as will appear below).
Between these two layers of "charcoal", which can even touch it at certain points, is interposed a liquid layer,
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so as to completely fill the space formed between the two layers of solid carbon.
The thin liquid intermediate layer is formed from one or more molten substances, among those which are already present in the electolysis cell (for example molten bath or molten aluminum or both together). the resistance of this layer to the passage of electric current (aentinu) is low; glue of the two solid layers is neglected. Jable.
The consumable and reconstructable layer of charcoal established in the aforementioned patent may be constituted by a single plate of uniform thickness, or by several individual pieces forming the plate or layer, and which are also uniform and of equal thickness. This layer of roconsti .. tution must be periodically introduced and placed in the cell.
The reconstitution is preferably carried out when the consumable solid layer is almost completely consumed by the effect of the electrolysis.
Alumina, by decomposing by electrolysis, gives metal and burns anodic carbon:
EMI2.1
2 Al203 --------., 4 Al + 3 2 (theonque electrolytic deco mpositio n) 2 02 + 2 0 ##### 2 Ôo (theoretical anodic reaction) - The aluminum formed is released at cathode ray and flows down. % oxygen burns the anodic carbon, and the CO2 and 00 gases thus formed tend to rise into the bath and escape from above. The anodic reconstitution operation requires opening the oven and the individual cells, and introducing into the bath the reconstitution coals: that are cold. We also encounter other disadvantages.
The invention provides a cell for the electrolytic fabrication of metals from molten compounds which
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comprises two electrodes the active faces of which are opposite, inclined, practically flat and parallel, the anode comprising an active layer which can be consumed electrolytically and which can be reconstituted which rests against a fixed electrode block, this cell being characterized by the causes the surface against which said coucho rests to form an acute dihedral angle with the plane of the opposite (cathodic) face of the electrode, means being provided for bringing to the anode a layer of reconstitution, from top to bottom and parallel to said surface, as the layer is consumed electrolytically,
and means also being provided for limiting the descent of the reconstitution layer to the level necessary for it to reoccupy the space left by the electrolyte consumption.
Preferably, the face of the reconstitution layer which rests against the fixed electrode block, and the opposite face free of this layer, are both inclined at the same level with respect to a vertical plane, the free and active face. , facing the bath being disposed downward. Thus, the reconstitution layer can have a triangular cross section, its top being disposed downwards. The layer can advantageously consist of several superposed blocks.
Or, if desired, the face of the reconstitution layer which rests against the fixed electrode block, and the opposite free face, are inclined in the opposite direction with respect to a vertical plane.
The means for supplying the reconstitution layer preferably comprise a guide whose axis is parallel to the plane of the electrode against which the reconstitution layer rests. the guida can advantageously be constructed of refractory material, and be provided with a cover of heat-insulating material.
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The means for limiting the descent of the reconstitution layer preferably comprise a graden provided at the bottom of the gap existing between the electrodes. the reconstitution layer can be forced with pre-baked electrode charcoal, or cooked Soderber paste. In the latter case, the guides are advantageously d .. wheat sheet to facilitate the sliding of the bed.
According to another characteristic of the invention, several inclined gutters can be provided in the electrode bioc-, these channels allowing a limited flow of molten metal formed on the cathode face, towards the face against which the reconstitution layer rests, in order to enter the space between the face and the layer ,,. The molten metal located in this space played the role of lubricant and facilitated the sliding of the reconstitution layer; it also facilitates the passage of electric current between the fixed electrode block and the layer, reducing the local voltage drop.
The invention further provides a furnace for the electrolytic production of metals from molten salts, which comprises at least one cell of the type defined above.
The invention further provides a process for the electrolytic manufacture of metals from molten salts in multi-cell furnaces provided with consumable anodes, in which the anodic reconstitution is carried out by bringing in from above an anodic reconstitution layer. , and it is made to slide along a plane which forms an acute angle with the plane of the face to be reconstituted, this reconstitution layer descending by its own weight and maintaining a constant spacing between the electrodes.
Certain embodiments of the invention will be described below, by way of example, with reference to the accompanying drawing.
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Fig. 1 is a vertical section taken along line 0-0 of FIGS. 2 and 3, showing several contiguous cells of a multi-cell oven provided with fixed bipolar electrodes of the type described for example in the Belgian patents? 534, 969 and N 548,465, but modified according to the present invention.
Fig, 2 is a partial plan view and partially in section of two cells, taken along line A-A of fig 1.
Fig 3 is a section along line B-B of fig.l.
Fig. 4 is a vertical section of several contiguous cells of another variant of a bipolar electrode multi-cell oven according to the present invention.
If we consider fig. 1, the individual cells of a multiple-cell oven, for the electrolysis of alumina dissolved in molten fluorinated salts, essentially comprise two inclined bipolar electrodes 9, close to each other and provided of self-reconstituting outer anode layers 1, 2, 3, 4, 5,6 or 27. The permanent portions 9 of these electrodes are made of graphite, the reconstituting portions 1, 2, 3, 4, 5 and 6 are made of electrode charcoal cooked in advance, or coked Sôder Berg paste if they are in one piece as in 27.
Bipolar electrodes do not have metallic conductors, and there is no mechanical device provided outside of the furnace to vary the distance between electrodes. the anode reconstitution assembly 1, 2, 3, 4, 5m 6 or 27, which has a density less than 1.6, is pushed upwards by the bath which has a density greater than 2, against the portion emerging from the bath of the anode reconstitution assembly, possibly also against the permanent portion of the electrode.
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The lower chamber and the space between electrodes (except the active electrode walls formed by bipolar charcoals) are coated with inert material13, 15, which is inert to the bath and to the metal, which is impermeable. - breathable and also electrically insulating, and withstands the temperature of the bath.
Blocks 19 of this inert and impermeable material are provided above the electrode coals, and channels 17 ensure communication between the cells and allow the bath to circulate (see arrows 18, A heat-insulating layer 24 is provided on blocks 19., and it is coated with inert material 28 at the points where it contacts the bath (eg dense magnesite electrically sintered and sintered at very high temperature, and / or treated according to the Belgian patent application taken with the same names on December 28, 1957, and having the title "Refractories capable of withstanding aggressive molten baths and treatment to obtain them" or any other suitable material found on the market, for example (eg, silicon carbide refractories bonded with silicon nitride).
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The electrode gap communicates at the top with a gas collecting chamber 20 which flares upwards and contains bath in its lower portion. The walls of this chamber are formed of inert material 19, 28. Chamber 20 in turn communicates at the top with an upper chamber from which gases are discharged through outlets 21.
The chamber 20 is preferably separated from the upper chamber by removable plates (not shown in the drawing), made of porous material which allows the exit of the electrolysis gases; but it is also possible to provide clear passages in the plates.
The plates which form the ceiling of the cells can be made, for example, of a material formed of magnesia and / or asbestos, therefore of a material which has very good thermal insulation properties at temperatures of. around 1000 C. They should preferably be constructed and shaped in such a way that they hold the cushion. gas above the bath at a temperature high enough to prevent surface solidification of the bath.
The reconstructable anode is made of carbonaceous material which is electrolytically etchable and is known per se (eg, pre-baked anode carbon, or coked soderberg paste).
The upper chamber is covered with a heat-insulating layer 22 in which there are provided, at the location of each cell, three openings, each of which is closed by an easy-to-remove cover, 23, made of material which has very good thermal insulation (eg porosite or aluminum). By removing the covers, one has access to a pipe 26 of refractory material which communicates with an inclined chimney 25 which is formed of inert material at least in its lower portion in contact with the bath.
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The arrows 16 show schematically the path of the electric current which, coming from the permanent and fixed biperary graphite electrode, passes through the thin liquid contact layer 29 to arrive in the removable anode leaves the consumable anode face thereof. ci for in @@ in the space or gap between corresponding electrodes, @ (two cells upstream of the gap designated by 14 in fig.l), filled with molten fluorinated bath, and enters the irolary electrode adjacent, permanent and fixed graphite, through - cathode face thereof which is directed upwards, and so on.
Arrows 18 schematically indicate the flow direction (main flow) of the electrolysis bath, which direction is here indicated as being opposite to that of the electric current.
If we now consider f ig. 4, the reconstructable anode (which has a triangular section with the top pointing downwards), initially presents a greater thickness, because the inclination of the liquid contact layer between the permanent anode and the reconstructable anode is inverted. Small channels 30, indicated in the permanent bipolar electrodes, divert a small proportion of the aluminum formed at the cathode to the intermediate liquid layer; this reduces to negligible values the ohmic voltage drops due to the passage of electric current through the layer of intermediate anode liquid bath. This modification is suitable for making a raw, melted or solid Soderberg dough arrive, held high.
The operating mode of an oven according to the present invention is as follows:
The furnace being filled with metal and molten bath, it is brought to the working temperature, from 900 to 1000 0, and it is
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maintained at this temperature, for example by means of an alternating current. Then, the reconstructable anode assembly is placed in each cell, by inserting from the top, through the chimneys, the reconstructable anode layers, 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 27 (therefore, in several pieces or in one piece).
Since anodic carbon has a density of about 1.5 and the bath has a donity of about 2, the upward force given by the bath will have the effect of pushing the individual elements upwards, 1, 2 , 3, 4, 5, 6 or the single assembly 27, so that the entire assembly will rest against the face of the permanent bipolar electrode which is facing down (Fig. 1). By pressing from the top, it is easy to push the assembly downwards until the tip 7 comes into contact with a step 8 formed by the inert layer which serves as a base for the bipolar electrode. After repeating this operation for each individual cell, the electrolysis can be started.
The alternating current is replaced by a direct current, so that the active surfaces of the bipolar electrodes which are directed upwards play the role of cathode, and those which are directed downwards play the role of anode . The bath circulating device and the alumina supply devices (both not being shown in the drawing) are then operated.
As electrolysis progresses, the aluminum formed at the cathode flows downward and is collected in the lower chamber, from where it is discharged through the individual channels 10.
The current distribution in the electrodes, as well as the electrolytic attack of the active anode surface, takes place with the same intensity at all points of the active anode surface of the anode assembly, so that
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the reconstitution anode assembly initially present, 3, 4, 5, 6 is regularly consumed in the bath. Thereafter, the tip 7 would theoretically retreat to the 7 'position. but the thrust exerted by the top is sufficient for the whole assembly to slide slowly downwards, so that the point 7 'occupies the position 7.
@ the pressure exerted from top to bottom, as represented by the active component (parallel to the walls of the inea) of the weight of the portion of the anode assembly which is bowed out of the bath, overcomes the upward force of the portion of the anode assembly which is immersed in the bath, a self-adjusting reconstitution anode assembly is obtained, which automatically maintains constant the distance between the active anode surfaces and the cathode surfaces of any gap between electrodes.
'
If the anode reconstitution assembly is formed from a number of small blocks of pre-fired anode carbon, it will suffice to compensate for the consumption of anode carbon by periodically opening the cover and inserting a new small block 1 in the opening 26 when the small block which previously occupied position 1 has gone down to position 2 because of the consumption of the electrodes * This can be done using the minimum of labor, without disturbing the The thermal equilibrium of the furnace and the cell, nor the regularity of the electrolysis, and without causing variations in the liquid levels.
One can simply superimpose the new block 1 on the block 2, or one can apply a suitable binder between the one and the other block (for example Sôderbarg paste, coal pitch), to make the assembly more anodic. rigid.
If, on the contrary, we use the self-reconstitution anode assembly formed from a single triangular block of paste
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Soderberg, the anode consumption is compensated by proceeding in a manner analogous to what has already been said, but by using small blocks of Soderberg paste instead of anodes baked in advance. It is also possible to use, to be introduced into the inclined guides, molten Soderberg paste, and in such a case it is preferable to line the interior walls of the chimney with metal plates in the portion. higher and going down to a level a little higher than that of the bath.
As will be appreciated, the present invention provides the solution of the problem of automatic adjustment of the electrode spacing and of the automatic and continuous adjustment anode reconstitution during electrolysis with consumable anodes, with perfect consistency. of the spacing between the electrodes of the cell, which is disturbed neither by the progressive anode consumption, nor by the successive anode reconstitutions. This surprising result is obtained without having to resort to an adjustment or adjustment device outside the oven. In addition, the permanent anode structure (which, in each electrode, an intermediate bi-polar, is integral with the cathode) is kept fixed and stationary.
It is understood that the embodiments described and shown here serve merely as examples, and that the invention includes all variations which embody the same principles, to automatically keep the distance between the electrodes constant.