CS207454B1 - appliance for making the aluminium by the electrolysis - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro výrobu hliníku elektrolýzou v elektrolyzéru, v jehož elektrolytické vaně jsou ponořeny do- taveniny anody a oproti -nim. v odstupu jsou v Uhlíkové vyzdívce uložené kryté katodové tyče, mezi nimiž a anodami vyloučený hliník tvoří katodu.

K elektrolytické výrobě hliníku z kysličníku hlinitého- AI2O3 se kysličník hlinitý obvykle rozpouští ve fluoridové tavenině, která sestává -většinou z kryolitu NajAlFe. Katodicky vyloučený hliník se shromažďuje pod fluoridovou taveninou na uhlíkovém dnu elektrolyzéru. Povrch -tekutého hliníku pak tvoří - katodu. Do fluoridové taveniny jsou ponořeny anody, na kterých -se elektrolytickým rozkladem kysličníku hlinitého vyvíjí kyslík. Kyslík -se při konvenční elektrolýze Váže na anodický uhlík za vzniku CO a CO2.

Elektrická vodivost fluoridové taveniny je ve -srovnání s elektrickou vodivostí tekutého hliníku -tak špatná, že elektrický proud, který z -anod prochází -elektrolytickou vanou, proudí fluoridovou taveninou skoro svisle, tj. svislá hustota -proudu je v elektrolytu, popřípadě ve fluoridové tavenině skoro všude stejná. Tak tomu však není v uhlíkové vyzdívce, a v ní uložených například železných katodových tyčí. Uhlíková vyzdívka, katodové tyče a kontaktní odpory mezi obě2 ma materiály vykazují odlišné elektrické vlastnosti, v důsledku čehož uhlíková vyzdívka na okraji elektrolytické vany odebírá relativně více -proudu než ve středu elektrolytické vany. Samotný odběr proudu na spodní ploše vrstvy tekutého vyloučeného hliníku je potom nestejnoměrný, zatímco horní plocha -vrstvy tekutého- vyloučeného· hliníku je zásobena proudem zcela stejnoměrně. Složky hustoty proudu, vznikající v tekutém vyloučeném· hliníku a v podstatě směřující vodorovně ven, jsou velmi škodlivé. Vytvářejí, společně s -nepotlačovanými magnetickými indukčními složkami,_s v tekutém vyloučeném hliníku síly, které -se velmi liší od sil v elektrolytu a způsobují vzdouvání, -popřípadě proudění tekutého- vyloučeného hliníku.

Cílem vynálezu je -odstranit vodorovné, ven směřující -složky elektrického- proudu v tekutém- vyloučeném hliníku ,a- dosáhnout toho, aby tekutým vyloučeným- hliníkem proudil ve svislém -směru proud konstantní hustoty.

Toho -se -dosáhne zařízením pro výrobu hliníku elektrolýzou v elektrolyzéru podle vynálezu, v jehož elektrolytické vaně jsou ponořeny do- taveniny anody a oproti nim- v odstupu jsou v uhlíkové vyzdívce uložené kryté tyče, mezi -nimiž a -anodami vyloučený tekutý hliník tvoří katodu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že uhlíková vyzdívka je s katodovými tyčemi elektricky spojena sestupně od středu elektrolyzéru k jeho· okrajům a kontaktní odpor je v témže směru vzestupný.

Podle vynálezu v mezeře mezi uhlíkovou vyzdívkou a katodovými tyčemi· je elel^t^tricky vodivý materiál o· síle zmenšující se od středu elektrolyzéru k jeho okrajům, nebo podle vynálezu může být mezera mezi uhlíkovou vyzdívkou a katodovými tyčemi vyplněna dílčími částmi z elektricky vodivého materiálu, přičemž vzniklé mezery mezi nimi mají délku rovnou velikosti jejich vzájemného odstupu. Délka dílčích částí se podle vynálezu zkracuje od středu elektrolyzéru k jeho okrajům a naopak délka mezery mezi dílčími částmi se zvětšuje od středu elektrolyzéru k jeho okrajům.. Podle vynálezu mezi katodovými tyčemi a uhlíkovou vyzdívkou upravená vrstva směrem· k okraji zeslabená, nebo dílčí části jsou zhotovené z litiny. Nebo· podle vynálezu mezi katodovým.! tyčemi a uhlíkovou vyzdívkou upravená vrstva směrem k okrajům zeslabená nebo dílčí části jsou zhotoveny z udusaného elektricky vodivého materiálu. Dále podle vynálezu je uhlíková vyzdívka vytvořena z jednotlivě vypálených uhlíkových bloků a elektricky vodivý materiál může bý-t udusán na těchto uhlíkových blocích uhlíkové vyzdívky. Mezery mezi elektricky vodivým· materiálem ve tvaru dílčích částí, nebo vrstvy a uhlíkovou vyzdívkou a nebo· katodovými tyčemi podle vynálezu jsou nejméně zčásti vyplněny elel^tirickky špatně vodivým izolačním materiálem.

Tím, že se elektrické spojení mezi katodovými· tyčemi a uhlíkovou výduskou, která je obklopuje, směrem od středu elektrolyzéru k jeho okrajům· podle vynálezu zmenšuje, odebírá · · uhlíková vyzdívka z vyloučeného hliníku po· celé šířce elektrolytické vany na každou plošnou jednotku · uhlíkové vyzdívky stejně velký proud. V důsledku toho· jsou síly v tekutém· vyloučeném hliníku a v elektrolytu stejně · · velké, což nejen podstatně redukuje, ale zcela odstraňuje nevýhodné vzdouvání vrstvy tekutého· hliníku. Ven směřující vodorovné složky . · elektrického proudu v tekutém hliníku jsou odstraněny.

Uhlíková vyzdívka, vytvořená z jednotlivých předem vypálených uhlíkových bloků a podle vynálezu elektricky· spojená s železnými katodovými tyčemi pouze částečně pomocí dobře vodivé udusané hmoty, nebo· litinou, způsobuje zvýšení kontaktního odporu směrem od středu elektrolyzéru k jeho okrajům. . Odběr · proudu uhlíkovou vyzdívkou se tak zesílí směrem do· středu elektrolyzéru a popřípadě klesá směrem, k okrajům elektrolyzéru, nebo může dokonce zcela zaniknout. Předvídaným· dimenzováním kontaktního· odporu se může v tekutém vyloučeném hliníku dosáhnout svislý tok proudu.

Zmírnění vodorovných, ven směřujících složek proudu v tekutém vyloučeném· hliníku v zařízení podle vynálezu zmenšuje zpětnou oxidaci anodickými plyny již elektrolyticky vyrobeného hliníku, neboť je podstatně zmenšeno, nebo· zcela potlačeno vzdouvání, a nebo proudění tekutého· hliníku. Dále se v zařízení podle vynálezu zmenšuje odvod tepla směrem· ven železnými katodovými tyčemi, poněvadž s elektrickým kontaktním -odporem se přirozeně zvyšuje i tepelný odpor mezi katodovými tyčemi a uhlíkovou vyzdívkou.

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je dále vysvětleno· s odkazy na přiložené výkresy, kde na obr. 1 je podélný řez částí elektrolyzéru pro výrobu hliníku, na obr. 2 je průřez elektrolyzéru v rovině II až IV z obr. 1, na obr. 3 je zvětšený výřez z o-br. 2, na obr. 4 je zvětšený výřez z obr. 3, na obr. 5 je znázorněn průběh proudnic v elektrolyzéru s obvyklými katodovými tyčemi a na obr. 6 je znázorněn průběh proudnic v elektrolyzéru oproti okraji elektrolytické vany se zvětšeným přechodovým odporem od katodových tyčí k uhlíkovému dnu podle vynálezu.

Nad ·ocelovou vanou 1 elektrolyzéru E, s tepelněizolační vnitřní vrstvou 2 a s uhlíkovou vyzdívkou 3 ve formě uhlíkového· bloku, která tvoří dno· elektrolytické vany, jsou podélně umístěny nosníkové nosiče 4 anod, uložené na vřetenech B, která jsou umístěna na podstavcích 5, přičemž nejméně jedno vřeteno· 6 je výškově ve směru šipky Y posunovatelné šnekovým kolem 7.

S nosníkovými nosiči 4 anod jsou zámky 8 spojeny svislé anodové tyče 9, které jsou na spodních koncích opatřeny anodami 10 z amorfního uhlíku. Anody 10 se mohou prostřednictvím svých anodových tyčí 9 posouvat v zámcích 8 ve směru šipky Y a tak se může měnit . a zajišťovat vzdálenost b mezi · spodní stranou 11 anod · 10 a · vnitřní plochou · 12 uhlíkové vyzdívky 3.

Na obr. 2 je znázorněna ocelová vana 1 pouze s jedním nosníkovým nosičem 4 anod, který · ji přesahuje v místě středu M vany a s · příčním jhem 13 pro uchycení anodových tyčí 9, přičemž uhlíková vyzdívka 3 je po celé šířce b 'proložena ocelovými katodovými tyčemi 14, jejichž konce 15 jsou ohebnými proudovými vodiči 16 spojeny s postranními · krytými přípojnicemi 17 proudu.

Uvnitř ocelové vany 1, ve vnitřním· prostoru J vytvořeném uhlíkovou vyzdívkou 3, je jako elektrolyt S, k výrobě . hliníku z kysličníku hlinitého· AI2O3 elektrolýzou, fluoridová tavenina, sestávající většinou z kryolitu NasAlFe.

Katodicky vyloučený hliník A se shromažďuje · na uhlíkové vyzdívce 3. Povrch 20 vrstvy vyloučeného hliníku A představuje katodu pro· elektrolýzu a nad povrchem 2θ vrstvy vyloučeného· hliníku ve vzdálenosti d visí anody 10.

Nejméně jedním nosníkovým nosičem 4 anod a anodovými tyčemi 9 se k anodám 10 přivádí stejnosměrný proud, který prochází elektrolytem S, vyloučeným tekutým hliníkem A a uhlíkovou vyzdívkou 3 к přiřazeným katodovým tyčím 14. Od katodových tyčí 14 elektrolyzéru E proudí (proud к nosníkovému nosiči 4 anod v následující neznázorněné elektrolytické vaně. To se, podle počtu elektrolytických van, může libovolně opakovat.

Elektrolyt S se pokrývá kůrou 30 ze ztuhlé fluoridové taveniny. Rovněž na bočních stranách 29 uhlíkové vyzdívky 3 se tvoří tzv. okrajová kůra 31. Tato okrajová kůra ovlivňuje vodorovné rozpínání f lázně tekutého vyloučeného hliníku A a elektrolytu S.

Na kůru 30 se ukládá vrstva 32 kysličníku hlinitého. Pod kůrou 30 a nad fluoridovou taveninou elektrolytu S jsou dutiny 33.

Vzdálenost d spodní strany 11 anod 10 od povrchu 20 vyloučeného tekutého hliníku, nazývaná též interpolární vzdálenost, lze měnit zvedáním nebo spuštěním, nosníkového nosiče 4 .anod ve směru šipky Y, a to pomocí zvedacího zařízení tvořeného vřetenem 6 a šnekovým kolem 7. Takto lze zvedat bud současně všechny anody 10, nebo prostřednictvím zámku 8 a anodové tyče 9 každou anodu 10 zvlášť.

Působením kyslíku, uvolňovaného při elektrolýze, se anody 10 opotřebují na spodní straně 11, a to podle typu elektrolytické vany denně asi o 15 až 20 mm. Současně ve stejném časovém rozmezí stoupá povrch 20, resp, povrchová hladina vyrobeného tekutého hliníku A v elektrolytické vaně elektrolyzéru E o 15 až 20 mm. Jakmile se jed- * na anoda 10 spotřebuje, vymění se za novou anodu.

V praxi se v průběhu provozu elektrolyzéru E anody 10 již po několika dnech různě opotřebovávají. Proto se anody 10 musí během několika týdnů nezávisle na sobě měnit. Například z obr. 1 je zřejmé, že ve vaně elektrolyzéru E jsou anody 10 různého stáří.

V průběhu elektrolýzy se elektrolyt S ochuzuje o kysličník hlinitý. Při spodní koncentraci 1 až 2'% kysličníku hlinitého v elektrolytu S dochází к tzv. anodovému jevu, který se projevuje místním zvýšením normálního inapětí ze 4 až 4,5 V na asi 30 V i více. Nejpozději v této době se musí překrývající kůra 30 rozbít a koncentrace kysličníku hlinitého' se musí zvýšit přidáním nové vrstvy kysličníku hlinitého.

Obvykle se při normálním provozu obsluhuje elektrolyzér E periodicky, i když nenastane uvedený anodový jev. Jak je uvedeno, musí se ipři anodovém jevu známým způsobem kůra 30 rozbít a koncentrace kysličníku hlinitého se musí zvýšit přidáním. Anodový jev je proto v průběhu provozu elektrolyzéru spojen neustále s přidáváním kysličníku hlinitého do elektrolytické vany. Elektrolyticky vyrobený hliník, který se shromažďuje na uhlíkové vyzdívce 3 elek trolyzéru E, se obvykle jednou denně z elektrolytické vany odebírá konvenčním odběrovým zařízením, například sacím nástavcem 40.

Elektrická vodivost elektrolytu S, tj. fluoridové taveniny, je v poměru к elektrické vodivosti tekutého vyloučeného hliníku A tak špatná, že elektrický proud, který opouští anody 10 na jejich spodní straně 11, proudí fluoridovou taveninou skoro svisle a pominou-li se okrajové jevy, je hustota proudu v elektrolytu S všude stejná.

V uhlíkové vyzdívce 3 s jejími ocelovými katodovými tyčemi 14 a kontaktními odpory mezi oběma prostředími, jsou složky rozdílných vlastností sjednoceny. Uhlíková vyzdívka 3, která odebírá proud z tekutého vyloučeného hliníku A, přitahuje kvůli této rozdílnosti v elektrické vodivosti na okraji elektrolytické vany více proudu než ve středu M vany. Je-li tekutý vyloučený hliník A na povrchu 20 zásobován stejnoměrně proudem a odběr proudu na vnitřní ploše 12 uhlíkové vyzdívky 3 je nestejnoměrný, musely by ve vrstvě tekutého vyloučeného hliníku A proudit ve vodorovném směru vyrovnávací proudy, aby se zabránilo vychylování proudnic 41, jak je znázorněno na obr. 2, protože elektrický proud «opouští anody 10 přibližně svisle a proudí tekutým vyloučeným hliníkem A směrem ven, tj. ke stěně ocelové vany 1.

Vodorovné složky proudové hustoty, které vznikají v tekutém vyloučeném hliníku A a směřují ven, jsou velmi škodlivé. Spolu s magnetickými indukčními složkami, vždy přítomnými v sousedním elektrickém vodiči, vytvářejí v tekutém vyloučeném hliníku A síly, které se značně liší od sil v elektrolytu S. Důsledkem těchto· silových .rozdílů je vzdouvání vrstvy tekutého hliníku, a/nebo proudění tekutého hliníku. Oba důsledky značně zhoršují chod elektrolyzéru, protože již elektrolyticky vyrobený hliník A je přiváděn do· blízkosti anod 10, kde se přítomným anodovým plynem CO2 oxiduje na AI2O3 a výsledkem jsou značné výrobní ztráty.

Tyto nedostatky se odstraní podle obr. 3, •nebo obr. 4 elektricky vodivými vrstvami 42, které jsou umístěny mezi uhlíkovou vyzdívkou 3 a katodovými tyčemi 14. Dílčí části 43 elektricky vodivé vrstvy 42 mají, příčně к podélné ose elektrolytické vany, různou délku n. Délka posledních se směrem к venkovní straně ocelové vany 1 zmenšuje. Přiměřeně s tímto- se zvětšuje délka p mezer 44 mezi zalitými, nebo udusanými dílčími částmi 43 elektricky vodivé vrstvy 42. V rozmezí těchto volných mezer 44 se katodové tyče 14 izolují, nejlépe elektricky špatně vodivým, nebo nevodivým materiálem 45, a to vůči uhlíkové vyzdívce 3 dna. Tato izolace katodových tyčí 14 může ve středu elektrolytické vany chybět, a nebo na kraji vany může být úplná.

Krátí-li se délka n zalitých, nebo udusaných elektricky vodivých dílčích částí 43 směrem ven, nebo se vyplňování mezer 42 mezi katodovými tyčemi 14 a uhlíkovou výduskou 3, podle . obr. ·4, litinou, nebo . elektricky vodivou dusanou vrstvou 46 ve stejném směru . zmenšuje, pak se zhorší kontakt mezi železnými; katodovými tyčemi 14 a uhlíkovou vyzdívkou . 3. směrem k ; okrajům. Potřebný vzrůst . kontaktního odporu směrem ven . z elektrolytické . vany . se . určí metodami elektrického síťového rozpočtu tak, aby odběr proudu uhlíkovou vyzdívkou 3 z tekutého· vyloučeného hliníku A . byl v celém. elektrolyzéru E všude stejný.

Z-; obr. , .4 je zřejmé, . že uhlíková vyzdívka 3 může ... být vyrobena z jednotlivých uhlíkových bloků 3a, 3b, mezi nimiž jsou malé propustné styčné spáry . 47. Znázorněná . katodová tyč 14 je z jednoho kusu, ale může být vytvořena 1 ze dvou . kusů, jak ukazuje obr. 5 a 6.

Na obr. 5 znázorněné katodové tyče 14 jsou vytvořeny obvyklým způsobem, zatímco se podle obr. 6 kontakt mezi železnými katodovými tyčemi 14 a uhlíkovým dnem 48 ve směru k okrajům vany zhoršuje. Elektrický proud, vyznačený proudnicemi 49, prochází anodovými tyčemi 9, nosičem 50, roztaveným elektrolytem S, tekutým vylouče-

Claims (10)

1. PŘEDMĚT

   1. Zařízení pro výrobu hliníku elektrolýzou v elektrolyzéru, v ' jehož elektrolytické vaně jsou ponořeny do ' ' taveniny anody a oproti nim v odstupu jsou v uhlíkové vyzdívce uložené kryté katodové tyče, mezi nimiž a anodami tekutý, vyloučený hliník tvoří katodu, vyznačující se tím, že uhlíková vyzdívka (3) je s katodovými . tyčemi (14) elektricky spojena sestupně od středu . (M) elektrolyzéru (E) k jeho· okrajům (31) a kontaktní odpor je v témže směru vzestupný.
2. 2. Zařízení podle bodu 1, ' vyznačující se tím, že v mezeře (42) mezi uhlíkovou vyzdívkou (3) a katodovými tyčemi . (14) ' je elektricky vodivý . materiál o síle zmenšující se od středu (M) . elektrolyzéru (E) k jeho okrajům ' (31).
3. 3. Zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že elektricky vodivá mezera ' . (42) mezi uhlíkovou vyzdívkou (3) a katodovými tyčemi (14) je ve směru proudu vyplněna dílčími částmi (43) z elektricky vodivého materiálu a mezi nimi jsou mezery (44) o délce (p), která se .rovná velikosti . ' vzájemného odstupu dílčích částí (43).
4. 4. Zařízení podle bodu 3, vyznačující se tím, že délka (n) . dílčích částí . (43) se zkracuje od středu (M) elektrolyzéru (E) k jeho okrajům (31).
5. 5. Zařízení podle bodů 3 a . 4, vyznačující ným hliníkem . A . a . uhlíkovým, dnem . 48 do katodových tyčí. 14,. kterými se proud, stále ještě vyznačený proudnicemi 49, odvádí.

   Pro· elektrolyzér, znázorněný ve schématu, byl vypracován EDV-program, který umožňuje znázornit průběh proudnic 49.

   Podle obr. . 5 probíhají .proudnice 49 v tekutém vyloučeném hliníku A zřetelně směrem. ven, tj. oproti okraji ' 31 elektrolytické vany elektrolyzéru. E a způsobují ' tak vzdouvání, popřípadě proudění tekutého vyloučeného hliníku A.

   Naproti tomu podle obr. 6, kde se elektrická vodivost od středu elektrolytické vany k jejímu okraji 31 zmenšuje nebo zastavuje, například úpravou znázorněnou na obr. 3 .. ..nebo- 4, probíhají .proudnice ' 49 tekutým vyloučeným hliníkem A . skoro . svisle. Tam, kde . . má být zastaven průtok elektrického proudu . mezi katodovým uhlíkovým blokem a katodovými tyčemi, popřípadě elektricky vodivou - dusanou vrstvou, vyplní se mezery mezi- .-uhlíkovým blokem a .katodovými tyčemi místo litinou izolačním materiálem, například azbestovou šňůrou. Tím, se jak vzdouvání tekutého vyloučeného hliníku ' a tak . i jeho proudění buď silně omezí, nebo se zcela odstraní.

   VYNÁLEZU se tím, že .délka (p) . . mezer (44) mezi dílčími . částmi (43) se zvětšuje ' .od středu (M) elektrolyzéru (E) k jeho okrajům (31).
6. 6. Zařízení. podle bodů 2 až 5, ' vyznačující se tím, že mezi katodovými tyčemi (14) a uhlíkovou vyzdívkou (3) je vrstva (46) . směrem - k okrajům zeslabená, nebo dílčí .části (43) jsou zhotovené z litiny.
7. 7. Zařízení podle bodů 2 až 5, vyznačující se tím, že ' . mezi katodovými tyčemi (14) a uhlíkovou vyzdívkou (3) je vrstva (46) směrem k okrajům zeslabená, nebo· . dílčí části (43) jsou zhotovené z . udusaného ' elektricky vodivého materiálu.
8. 8. Zařízení podle bodů. 1 až 7, vyznačující se tím, že uhlíková vyzdívka (3) . je . vytvořena z jednotlivě vypálených uhlíkových bloků (3a, 3b).
9. 9. Zařízení podle bodu 8 ' .vyznačující se tím, že elektricky vodivý materiál je udusán na jednotlivě vypálených uhlíkových blocích (3a, 3b) uhlíkové vyzdívky ' (3).
10. 10. Zařízení podle bodu' ' 1 vyznačující se tím, ' že mezery (42) mezi elektricky vodivým materiálem ve tvaru dílčích částí (43), nebo vrstvy (46) .. a uhlíkovou vyzdívkou (3) a katodovými tyčemi (14) jsou nejméně zčásti vyplněny elektricky špatně vodivým izolačním materiálem (45).