HU191107B - Flotation cathode for hall-heroult process for producing aluminium - Google Patents

Description

A találmány tárgya flotáló katód Hall-Heroult alumíniumgyártási eljárásnál használt, anódszén és folyékony alumíniumkatódréteg között megolvasztott kriolitalapú fürdőt tartalmazó elektrolizáló kádhoz, amelynek legalább egy, villamosán vezető tűzálló anyagból, például titánboridból kialakított, a folyékony alumíniummal és az elektrolittal szemben semleges anyagú közbenső tartón elhelyezett aktív katódcleme van.

Ismeretes, hogy a Ilall-Ileiotílt aliimíiiiiiingyáriásí eljárásnál a katódot azonos kialakítású széntömbökből állítják össze, amelyekbe fémrudat erősítenek és ezekhez csatlakoztatják az elektromos vezetéket, amelyekkel a sorosan elrendezett kádak között biztosítják az elektromos összeköttetést. Normál üzemi körülmények között a kád alját kb. 20 cm vastag folyékony alumíniumréteg fedi.

A modern elektrolizáló kádakban, amelyek manapság mintegy 200 000 A áramerősséggé! működnek, legalább 40 mm-es pólustávolságot tartanak az anód és a folyékony alumíniumréteg felülete között, hogy kiküszöböljék a hullámzás révén alumíniumnak vagy nátriumnak anódra jutását és a rcoxidációs károsodásokat. Ez ugyanis jelentős feszültségesést okoz, ami túllépheti az 1,5 V-ot, ami több, mint harmada az elektrolizáló kádra adott kapocsfeszültségnek.

A különböző eljárások közül, amelyek a katód folyékony alumíniummal történő jobb nedvesítését és a folyékony alumíniumnak a fürdő hullámzásából eredő anódra jutásának elkerülését célozzák, közismert a titán- és cirkónium-boridok alkalmazása, amelyeket széleskörűen használnak elektromosan vezető tűzálló anyagként.

Általában a periódusos rendszer 4A, 5A és 6A csoportjába sorolható femek boridjai, kai hidjai és nitridjei jöhetnek szóba, konkrétan a titán-borid és a cirkónium-borid alkalmazási lehetőségeire irányultak a kutatások.

Ezeknek az anyagoknak a Hail-Heroult elektrolízis kádban való alkalmazását bárom előnyös tulajdonságuk indokolja:

— elektromos ellenállásuk kisebb, mint 1000 pohmetn; és előnyösen 100 pohmem 950 °C és 970 °C közötti intervallumban, — a folyékony alumíniummal kedvezően nedvesithetők és — vegyi és fizikai semlegességük a folyékony alumínium és az elektrolitfürdő vonatkozásában.

1000 °C-on a íiíán-borid elektromos ellenállása 60 pohmem, a cirkónium-boridé 74 pohmem, azaz mintegy 2-2,5-szerese a folyékony alumíniuménak, de több mint 5000-szer kisebb az eiektrolitfürdő ellenállásánál, amely normál üzemi körülmények között 450 000 pohmem. A folyékony alumíniummal kedvező a „nedvesíthetőségük” és lényegében közömbösek a megolvasztott kriolittal szemben.

A titán és a cirkónium drága volta miatt katódtömböket nem készítettek belőlük, inkább mérsékelt vastagságú bevonatokat gyártanak különböző vékonyréteg technológiával, pl. vákuumgőzölés (lásd „Alumínium” című Német Szövetségi Köztársaság-beli szaklap cikkét: 1980. október hó, 642-648. oldalak, továbbá 1980. november hó, 713—718. oldalak, „Inért katódok alumíniumelektrolízisénél Ilall-IIeroult cellákban”, szerzők: K. Billehang és II. A. Gye.) /\ fent említett titán- és cirkónium-borid bevonatok a probléma viszonylag kielégítő megoldását adják, de aránylag nagymértékű a kopásuk a folyékony alumíniummal való érintkezés következtében.

Egy tonna alumínium előállításánál kb. 200 g titán-boridra van szükség. Ráadásul az elhasználódott katódok cseréje a kád részbeni szétszerelésével és iizeuiszűiielével jái együtt,amely a folyamatos termelést hátráltatja.

Titán-borid katódelemeket Hall-Heroult alumíniumgyártáshoz említenek a következő francia szabadalmi'leírások: 1 195 505, l 203 015, 1 205 875,

227 951, 1 229 537, 1 148 068, 1 149 468, a British Alumínium Company Ltd., nevére bejegyezve:

165 136. Naiser Alumínium, továbbá a

337 210. ALCOA,

430 464. ALUSLUSSE nevére bejegyezve.

Ebben a tárgyban az alábbi Amerikai Egyesült ÁJIamok-beli szabadalmi leírások kerülhetnek még szóba:

177 128.PPG Industries és a

093 524. KA1SER Alumínium nevére bejegyezve.

A fentiekből nem állapítható meg, hogy aikalmazzák-e azokat ipari méretekben.

Az ALUSUISSE 2 471 425. számú francia szabadalmi leírás szerint titán-karbid granulátummal öntik fel 2 mm vastagságban az elektrolizáló kád alját.

Az alumínium Pechiney nevére bejegyzett

500 488. számú francia szabadalmi leírás olyan eljárást ismertet Hall-Heroult alumíniumgyártási technológiával kapcsolatban, amelynél az elektrolizáló kád katód-alapján titán-borid katódelemeket úgy rendeznek el, hogy azok sem a kalódalappal, sem egymással nincsenek összekapcsolva. A kialakítás lehetővé teszi, hogy az anód síkja és a titán-borid katódelemek síkja közötti távolságot 30 és 10 mm közötti értékűre rögzítsék. A találmánnyal összhangban továbbá kialakítható olyan megoldás, amelynél a titán-borid katódelemeket közbenső grafittartóval rögzítik, amelyet a katódlapon helyeznek el.

Egy póttanúsítványban foglalt Alumínium Pechiney nevére bejegyzett megoldás olyan eltávolítható katódkialakítást ismertet, amely semleges, közbenső tartórészből és ehhez rögzített, és szétválasztható, elektromosan vezető tűzálló anyagból, például titán-boridból készített aktív katódclcmckből áll, ahol az eltávolítható katód átlagos viszonylagos sűrűsége nagyobb, mint a folyékony alumínium sűrűsége normál üzemi körülmények között .

A találmánnyal célunk a fenti hiányosságok kiküszöbölése, azaz olyan katód kialakítása, amely lényegesen jobb hatásfokkal működik, mint az ismert megoldások.

A kitűzött feladatot a találmány szerint úgy oldottuk meg, hogy a katódnak legalább egy, villamosán vezető tűzálló anyagból, pl. titán-boridból kialakított, folyékony alumíniummal és az elektrolittal szemben semleges anyagú közbenső tartón elhelyezett aktív katódelcine van, ahol az aktív kalódclcmhől és a közbenső tartóból álló egység átlagos, viszonylagos sűrűsége kisebb, mint az elektrolizáló kádban levő foiyé-23

191 107 kony alumínium-katódréteg viszonylagos, sűrűsége normál üzemi körülmények között.

Célszerű az olyan kiviteli alak a technológia egyszerűsítése szempontjából, amelynek átlagos viszonylagos sűrűsége kisebb a folyékony alumíniumkatódrétegnél, továbbá a megolvasztott kriolitalapú elektrolit-fürdőnél.

A technológia további egyszerűsítése szempontjából előnyös az olyan kiviteli alak, amelynek átlagos viszonylagos sűrűsége a folyékony ahimínimu-katódréteg viszonylagos sűrűsége és a megolvasztott kriolitalapú elektrolitfürdő viszonylagos sűrűsége között van.

Előnyös az olyan kiviteli alak az egyszerű megvalósíthatóság miatt, amely függőleges ütközővel, valamint a függőleges iránytól eltérő mozgást korlátozó vezetőelemmel van ellátva.

A találmány szerinti berendezést az alábbiakban rajzon, kiviteli példa segítségével ismertetjük. A rajzon az

1. ábra eltávolítható titán-borid aktív katódelemekkel ellátott flotáló katód axonometrikus képe, a

2. és 3. ábra a titán-borid aktív katódelemének lehetséges kiviteli alakja, és a

4. és 5. ábra a flotáló katód két kiviteli alakja, ahol az aktív katódelemek hasított csodarab formájúak és a flotáló katód az alaphoz lerögzítő elemmel van ellátva, a

6. ábra tömör tűzálló betontömbhöz lerögzített flotáló katód, a

7. ábra a flotáló katód oldalsó vezetőeleme, a

8. ábra a flotáló katódelem másik kiviteli alakja felső és alsó támelemekkel, amelyek a tűzálló tartóba illeszkednek, a

9. ábra támelemek illeszkedési helye, a

10-13. ábrák különböző flotáló katód kiviteli alak, ahol minden egyes titán-borid aktív katódelem flotáló elemként van elrendezve.

Az 1. ábrán a titán-boridtartalmú 1 aktív katódelem egyik lehetséges kiviteli alakja látható, amelyet sík vagy enyhén hajlított fejrésszel és a 2 szárrésszel (2. és 3. ábra) alakítunk ki. Az 1 aktív katódelemeket a grafitból készült 4 semleges, közbenső tartó 3 nyílásaiba helyezzük. A fentiekben leírt katódösszeállítás átlagos viszonylagos sűrűsége a folyékony alumíniuménál kisebb. Az 1 aktív katódelemek fejrésze normál üzemi körülmények között az elektrolit és az alumínium belső érintkezési l'cliilctc közelében helyezkedik el.

A 2. és 3. ábrán látható egy másik kiviteli alak, ahol az 1 aktív katódelemeket közvetlenül helyezhetjük a 3 nyílásokra, vagy az 1 aktív katódelemeket 5 kiemelkedésekkel vagy 6 bordákkal látjuk el, hogy az alumíniumgyártásnál a folyékony alumínium áramlását elősegítő hézagot hozzunk létre.

A 4. és 5. ábrán a flotáló katód másik kiviteli alakja látható, amelynél a 9 csapelemmel rögzítjük le a flotáló katód 7 közbenső tartóelemét a 8 katódalaphoz. A lerögzítő 9 csapelem 10 fejrésze illeszkedik a közbenső tartó 11 lépcsős kialakításával, ezáltal a flotáló katód felfelé mozgását korlátozó támasztó szerkezetet alakítunk ki. A 12 aktív katódelemeket 13 hasított csodarabokból alakítottuk ki, amelyeket sínre illesztettük, megfelelő áramlási hézagot hagyva a gyártandó alumínium számára. A 13 csodarabok kör-, négyzet- vagy más keresztmetszetűek lehetnek.

Az 5. ábrán a grafittömeg és a titán-boridtömeg részaránya olyan, hogy az egység átlagos, viszonylagos sűrűsége kisebb, mint az elektrolité, ezáltal a flotáló katód általában felfelé támaszkodó helyzetben van.

Mindkét esetben (4. és 5. ábra) a fioláin kálód mozgásának, amelyet a támasztó elem helyzetével és a lerögzítő 9 csapeietn magasságával határolunk be, legalább olyan mértékűnek kell lennie, hogy megfeleljen a folyékony alumíniumréteg felületi rnagasságváltozásainak az elektrolízis lefolytatása során. Általában a 12 aktív katód (titán-borid) elemeknek a 15 belső érintkezés felületből legalább 10 mm-rel szükséges kiemelkedni.

Továbbá figyelemmel kell lennünk arra, hogy a flotáló katód vastag vezető lapjának alsó része mindig a fémbe merüljön, függetlenül a fém felületi magasságának változásaitól. A vezető lap és nem a lerögzítő 9 csapelcmck továbbítják az áramot a 8 katódlapra a 16 folyékony alumínium-fémréteg útján. Hangsúlyozandó, hogy minden esetben az aktív (titán-borid) katódelemek működnek katód gyanánt; és ezekre az aktív katódelemekre rakódik le az elektrolízissel gyártott alumínium.

A 6. ábrán látható a flotáló katód további kiviteli alakja, amelyet 18 vékony titán-borid bevonattal ellátott 17 grafitlapból alakítunk ki. A 18 vékony titán-borid réteget vákuumgőzöléssel vagy plazmaövvel választjuk le. A flotáló katódot a kád aljához a 19 vastag tűzálló betontömbbel rögzítjük, amely ellenáll a 16 folyékony alumínium hatásának. A 19 vastag tűzálló betontöinböt a 9 katódlapra helyezzük. Előnyösen a 19 vastag tűzálló betontömböt 20 járatokkal alakítjuk ki a folyékony alumínium áramlása és ezzel az elektromos áram keresztülvezetése céljából.

Az 1. ábrán vázolt kiviteli alaknál, vagy a 6. és 8. ábrán látható hasonló szerkezeteknél a flotáló szerkezet vezető elem gyanánt 21 görgőket (a 7. ábrán látható) tartalmazhat, amelyek például a 22 tartólábakhoz illeszkednek. A görgőket például titán-boridból vagy szilícium-nitridből, vagy szilícium- és alumínium-oxinitridből (Sialon) alakíthatjuk ki. A 8. ábrán látható konstrukciónál a 24 tűzálló tartó teljesen a folyékony alumíniumba merül. A 25 perforált tarló, amely a I ilán-borid aki ív kalóilelemeket larlja kisebb viszonylagos sűrűségű, mint az elektrolit - és például vékony tűzálló bevonattal ellátott grafitból alakítható ki.

Ennek az elrendezésnek az az előnye, hogy a teljes 25 perforált tartó a tilán-borid I aktív kalódelemekkel a 24 tükör tűzálló tartóba tolható, ha például lefelé irányuló erőhatásnak tesszük ki (túlzottan mélyre bocsátott anód esetén). Ezért a 8. ábra szerinti et < e₂ méretarányokat be kell tartani.

Ha a 25 perforált tartóból és a titán-borid 1 aktív katódelemekből kialakított összeállítás átlagos viszonylagos sűrűsége kisebb az. elcktrolitfiirdő sűrűségénél, az. összeállítás felfelé támaszkodó helyzetben marad. Ha az összeállítás viszonylagos sűrűsége az elektrolitfürdő sűrűsége és a folyékony alumínium

191 107 sűrűsége közötti, a 25 perforált tartó követi az elektrolízis folyamán a folyékony fém szintjének változását.

A 9. ábrán a 8. ábrán bemutatott 24 tömör tűzálló tarló látható a felső és alsó lámaszlóclcmckkcl. Az egyik houilokfclületből eltávolítható l'alrésszel a folyékony alumínium, illetve az elektrolitfürdő elektromágneses térben történő cirkulációja irányítható és szabályozható.

A 10—13. ábrákon a dotáló katód egv olyan további kialakítása látható, ahol az egyes aktív katódelemek külön-külön grafit közbenső tartóelemekkel vannak elrendezve.

A titán-borid 30 aktív kátódelemeket grafit 31 peremes gyűrűbe helyezzük. A semleges anyagú 32 tartó működik támasztóelemként a grafit 31 peremes gyűrű felett. A 32 tartó a katódalapra vagy arra a célra kialakított lábazatra fekszik fel.

All. ábrán olyan titán-borid aktív kalódelemek láthatók, amelyeket a 33 lemezből alakítottunk ki és a grafit 35 fiotáló elemhez a 34 csavarral rögzítettük.

A 12. és 13. ábrákon látható grafit 36 fiotáló elemet üreges alsó részén zárt 37 tengellyel alakítottuk ki.amely folyékony alumíniummal van megtöltve. A titán-borid 38 aktív katódelemek a grafit fiotáló elemen a 39 bordákkal fekszenek fel. A 40 aktív katódelemek alakja a 13. ábra szerinti módon enyhén íveken tál alakú a gyártott alumínium összegyűjtésére, majd a 41 járatokon való átfolvatására.

Valamennyi fentiekben felsorolt kialakításnál figyelembe veendő a titán-borid és grafitrészek megfelelő aránya, hogy együttes átlagos viszonylagos sűrűségük 2,3 és 2,2 közötti, vagy 2,2, illetve 2,1 alatti legyen a 930 °C és 960 °C hőmérsékleti tartományban. A megadott sűrűségi értékek módosítandók, ha ezt az eiektrolitfürdő eltérő viszonylagos sűrűsége szükségessé teszi.

Továbbá a rajzokon az anódot nem ábrázoltuk, de annak a titán-borid aktív katódelemével szemközti elrendezése ismert, ezért nem részletezzük, inért összhangban van a technika jelenlegi állásával.

A találmány révén realizálható előnyök az elektromosan jól vezető és a folyékony alumíniummal jól nedvesíthető titán-borid katódelemek révén kisebb belső feszültségesésben, a folyékony alumíniummal és az elektrolitfürdővel szemben semleges elemek hatása pedig a berendezés hosszabb élettartamában nyilvánul meg.

További előnye, hogy a konstrukció mechanikai behatásokra kevésbé érzékeny. A konstrukció lehetővé teszi az elektromosan nem vezető tűzálló anyagból épített alapú kemencék kialakítását.

A találmány szerinti megoldás által lehetővé válik a katódáram vezetés megoldása a folyékony alumíniumréteg és az elektrolit kád felső részén elrendezett áramszedő által.

Claims (9)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Fiotáló katód Ilall-lleroult alumíniumgyártás! eljárásnál használt, anódszén és folyékony alumíniunikatódréteg között megolvasztott kriolitalapú fürdőt tartalmazó elektrolizáló kádhoz, amelynek legalább

   15 egv villamosán vezető tűzálló anyagból, például titánboridból kialakított, folyékony alumíniummal és az elektrolittal szemben semleges anyagú közbenső tartón elhelyezett aktív katódclcmc van, azzal jellemezre, hogy az aktív katódelem (1, 12, 18, 30, 33,

   20 38,40) és a közbenső tartó (4, 25, 7, 32, 34) együttes átlagos, viszonylagos sűrűsége kisebb, mint a folyékony alumínium katódréteg (16) viszonylagos sűrűsége normál üzemi körülmények között.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti fiotáló katód, azzal

   25 jellemezve, hogy átlagos viszonylagos sűrűsége kisebb a folyékony ahiinínium-katódrctegnél (16), továbbá a megolvasztott kriolitalapú elektrolízis fürdőnél.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy átlagos viszonylagos sűrűsége a folyé³θ konv alumínimn-katódréteg (16) viszonylagos sűrűsége és a megolvasztod kriolitalapú elektrolízis fürdő viszonylagos sűrűséget közötti.
4. 4. Az 1—3. igénypontok bármelyike szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy függőleges ütkö35 zővel (11) van ellátva.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy a függőleges iránytól eltérő mozgást korlátozó vezetőelemmel (21)

   4Q van ellátva.
6. 6. Az 5. igénypont szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy a vezetőelem össze van kötve a lerögzítő elemmel (9) vagy azzal egységes kialakítású.
7. 7. Az 1—6. igénypontok bármelyike szerinti 45 fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy semleges, közbenső tartóval (4, 7, 25, 32, 34) összekapcsolt aktív kátódelemeket (1, 12, 17, 30, 33, 38, 40) tartalmaz.
8. 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy minden egyes gg aktív katódelem (30, 33, 38, 40) külön van összekapcsolva a semleges, közbenső tartóval (32, 34).
9. 9. Az 1—8. igénypontok bármelyike szerinti fiotáló katód, azzal jellemezve, hogy a semleges, közbenső tartó (4, 25, 7, 32, 34) anyaga grafit.