HU218031B - Eljárás és szuszpenzió tűzálló boridbevonat alkalmazása alumíniumgyártáshoz használt cellák széntartalmú elemeinek védelmére, széntartalmú cellaelem, továbbá alumíniumgyártó cella - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya szuszpenzió kriolitalapú, olvadt elektrolitbanoldott alumínium-oxid elektrolízisével gyártott alumínium készítésénélhasználatos cellák széntartalmú elemeinek tűzálló boriddal történőbevonásához, és ezen elemeknek az elektrolit folyékony és/vagygázkomponenseinek, úgymint a különböző elemeknek, ionoknak ésvegyületeknek a romboló hatásától történő védelmére, és az a lényege,hogy a szuszpenzió előformázott kolloid hordozóanyagban lévő tűzállóboridot tartalmaz, ahol a kolloid alumínium-oxid, szilícium-oxid,ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium- foszfát közüllegalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza. A találmány tárgyatovábbá széntartalmú alkatrész, amely kriolitalapú, olvadtelektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállítottalumíniumgyártó cellákban alkalmazható, és az a lényege, hogy atalálmány szerinti szuszpenzióval képeznek rajta bevonatot (9, 10, 11)az elemek az elektrolit folyadék- és/vagy gázkomponenseitől - valóvédelmére. A találmány tárgya továbbá eljárás tűzálló boridbevonatfelvitelére a fenti széntartalmú alkatrészekre úgy, hogy az alkatrészfelületére előformázott tűzálló boridot kolloid hordozóanyagbantartalmazó iszapot visznek fel, ahol a kolloid alumínium-oxid,szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet tartalmaz. A találmánytárgya továbbá eljárás olvadt só elektrolíziséhez alkalmazottelektrokémiai cella széntartalmú alkatrészeinek védelmére, amelyalkatrészek korróziós közegnek és/vagy az olvadtsó-elektrolitnakés/vagy az elektrolízis termékei hatásának vannak kitéve a működéssorán, amelynek során az alkatrészekre a találmány szerintiszuszpenzióból visznek fel védőbevonatot, majd a bevonat felvitelétkövetően használat előtt vagy az alatt az alkatrészeket hőkezeljük, ahőkezelést olyan hőmérsékleten végzik, hogy a boridok megszilárdulnakés tapadó védőréteggé alakulnak. A találmány további tárgyaszéntartalmú elem korrozív környezetben történő felhasználásra, amelykorrozív környezet lehet oxidálóközeg, korrozív vegyületekettartalmazó folyadék vagy gáz, viszonylag magas hőmérsékleten úgy, hogyaz elemet a találmány szerinti eljárással vonják be. Végül a találmánytárgya még olvasztott só elektrolízisénél használt elektrokémiaicella-elem vagy -alkatrész, valamint eljárás a cellaelem vagy alkatrészlétrehozására, amely használat közben korrozív közegnek vagy azolvasztottsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának vankitéve, ahol is az alkatrészt a találmány szerinti szuszpenzióvalvonják be. ŕ

Description

A találmány tárgya továbbá eljárás olvadt só elektrolíziséhez alkalmazott elektrokémiai cella széntartalmú alkatrészeinek védelmére, amely alkatrészek korróziós közegnek és/vagy az olvadtsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízis termékei hatásának vannak kitéve a működés során, amelynek során az alkatrészekre a találmány szerinti szuszpenzióból visznek fel védőbevonatot, majd a bevonat felvitelét követően használat előtt vagy az alatt az alkatrészeket hőkezeljük, a hőkezelést olyan hőmérsékleten végzik, hogy a boridok megszilárdulnak és tapadó védőréteggé alakulnak.

A találmány további tárgya széntartalmú elem korra zív környezetben történő felhasználásra, amely korra zív környezet lehet oxidálóközeg, korrozív vegyületeket tartalmazó folyadék vagy gáz, viszonylag magas hőmérsékleten úgy, hogy az elemet a találmány szerinti eljárással vonják be.

Végül a találmány tárgya még olvasztott só elektrolízisénél használt elektrokémiaicella-elem vagy -alkatrész, valamint eljárás a cellaelem vagy alkatrész létrehozására, amely használat közben korrozív közegnek vagy az olvasztottsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának van kitéve, ahol is az alkatrészt a találmány szerinti szuszpenzióval vonják be.

A találmány tárgya szuszpenzió olyan cellák szénalapú elemeinek a védelmére tűzálló boridbevonat alkalmazásával, amely cellákat kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisénél alkalmaznak alumínium előállítására, és a széntartalmú elem előnyösen az itt alkalmazott szénkatód.

A találmány tárgya továbbá eljárás a bevonat felvitelére, az így előállított széntartalmú alkatrész, továbbá olyan alumíniumgyártó cellák, amelyeknél a szénalapú komponenseket az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseinek a korróziós hatásától kell védeni; ezek a komponensek lehetnek elemek, ionok vagy vegyületek, és a szénalapú komponensek védelmét olyan tűzálló boridréteggel valósítjuk meg, amelyet ezeknek a felületére viszünk fel. Ezen túlmenően pedig a találmány ezen celláknak olvasztottsó-elektrolízisnél használt cellaelem alumíniumgyártásnál történő felhasználására.

A hagyományos Hall-Héroult-eljárással gyártott alumínium úgy készül, hogy kriolitalapú, olvadt elektrolitban alumínium-oxidot oldanak egészen 950 °C hőmérséklet-tartományig, és az alumíniumot ezen alumínium-oxid elektrolízisével állítják elő. A Hall-Héroultféle redukciós cellának tipikusan van egy acélburkolata, amely tűzálló anyagból készült szigetelőburkolattal van ellátva, amelyben azután egy szénréteg van, amely az olvadt alkotókkal érintkezik. Az egyenáramú áramforráshoz csatlakoztatott negatív pólust képező áramvezető sínek a szénkatód rétegbe vannak beágyazva, és a cellának az alját képezik. A katódréteg általában antracitalapú szénréteg, amely előhevített, illetőleg előégetett katódegységekként van kialakítva, amelyhez antracitkoksz és szénkoksz döngölt keveréke van csatlakoztatva.

A Hall-Héroult-cellákban az olvadt alumíniumfürdő működik mint katód. A szénréteg vagy a katódanyag élettartama 3-8 év, kedvezőtlen körülmények között azonban ennél kevesebb is lehet. A katódaljzat romlása erózió következtében jön létre, valamint az elektrolit és a folyékony alumínium beépülése miatt a katódaljzatba, továbbá nátriumbeágyazódások következtében; ezen jelenségek hatására a katódszénegységek és a döngölt keverék deformációja és duzzadása következik be. Ezen túlmenően pedig a nátriumrészecskéknek és egyéb kriolitalapú szennyező anyagoknak vagy levegőnek a beépülése és behatolása a szénegységekbe mérgező vegyületek keletkezéséhez vezet, ilyen mérgező vegyület lehet többek között a cianid is.

A működéssel kapcsolatos nehézségek feloldódás nélkül megmaradt alumínium-oxid-szuszpenziónak a felhalmozódása következtében lépnek fel, amely alumínium-oxid-szuszpenzió a szénkatód réteg felületén az alumíniumfurdő alsó részén halmozódik fel, és ily módon a cella aljánál egy szigetelőtartományt vagy -tartományokat képez. A kriolit és az alumínium behatolása a széntesten keresztül, valamint a katódszénegységek deformációja ezen katódegységek elmozdulását, illetőleg eltolódását eredményezi. A katódszénegységek eltolódása következtében az alumínium az acél katódáramvezető rudakat is elérheti, ennek korrózióját okozza, és a villamos kontaktusok romlását eredményezi, amely nem egyenletes árameloszláshoz vezet, továbbá a keletkező alumínium fémtermékben fölös vastartalom lesz.

A szénkatód anyagának a legfőbb hátránya, hogy nem nedvesíthető az alumíniummal. Ez szükségessé teszi, hogy viszonylag mély alumíniumfürdőt, azaz legalább 100-250 mm magasságú alumíniumfurdőt alkalmazzunk annak érdekében, hogy a szénegységek védelmét biztosítsuk, és a katódfelület fölött megfelelő érintkezés jöhessen létre. Az olvadt alumíniumban keletkező elektromágneses erők torzító hatását elkerülendő, azaz azt biztosítani, hogy az anóddal rövidzárlat ne jöjjön létre, az anód-katód-távolságot (ACD) biztonságos minimális értéken, általában 40-60 mm távolságon kell tartani. A hagyományos celláknál megállapították azt a minimális anód-katód-távolságot, amely alatt az áram hatásfoka igen erőteljesen csökken, annak következtében, hogy az alumíniumfurdő és az anód között rövidzár jön létre. Az elektrolit villamos ellenállása az elektródák közötti részben 1,8-2,7 V feszültségugrást hoz létre, amely a cellán belül fellépő teljes feszültségugrásnak a 40-60%-át teszi ki, és egy adott cella esetében a teljes feszültségugrás legnagyobb komponense.

HU218031 Β

Az anód-katód-távolság és az ehhez kapcsolódó feszültség csökkentésére számos kísérletet végeztek tűzálló keményfémekkel vagy kemény anyagokkal (RHM), mint például titánium-diboriddal (TiB₂) mint katódanyaggal. A TiB₂- és egyéb RHM-anyagok gyakorlatilag nem oldódnak, kicsi a villamos ellenállásuk és alumíniummal nedvesíthetők. Ez lehetővé teszi, hogy az alumínium közvetlenül az RHM-katód felületére elektrolitikus úton rakódjon le, és ily módon nincs szükség mély alumíniumfürdőre. Mivel a titán-diborid és hasonló tűzálló keményfémek alumíniummal nedvesíthetők, az alumíniumgyártó cellák korróziós környezetével szemben jobban ellenállnak, és jó villamos vezetők is. Számos cellánál használnak tűzálló keményfémeket, amely a cellával kapcsolatos számos hátrányt kiküszöböli, többek között jelentős energiamegtakarítás is elérhető azáltal, hogy az anód-katód-távolság csökken.

Titán-diborid és egyéb tűzálló keményfémek áramvezetőként történő használatára elektrolitikus cellákban alumíniumgyártásnál az US 2.915.442, 3.028.324, 3.214.615,3.314.876,3.330.756,3.156.639,3.274.093 és 3.400.061 számú leírások adnak tájékoztatást. A számos kísérlet és a titán-diborid mint katódaljzat alkalmazása ellenére ezek a megoldások az alumíniumiparban nem terjedtek el.

A tégla vagy egyéb alakú titán-diborid, illetve RHM-anyagok felvitelére szolgáló eljárások az alumíniumot gyártó kemencéknél végül is azért nem kerültek alkalmazásra, mert a működési paramétereik nem elég stabilak, ezenkívül pedig maga az eljárás, illetőleg az anyag költséges. Ezen hátrány az elektrolit behatolásához kapcsolódik, amely akkor következik be, ha az RHM-réteg nincs teljes mértékben az alumíniummal nedvesítve, és kapcsolatba lép az alumínium. Ekkor az RHM-szerkezetben lévő szennyeződések jönnek létre. A téglaszerű tűzálló kemény anyagokban lévő oxigén szennyező anyag ezen elemek mentén mindenképpen kiválni és lecsapódni igyekszik, amely viszont azt eredményezi, hogy az alumínium fém és/vagy a kriolit gyorsan meg tudja támadni ezeket az anyagokat. Ezt kiküszöbölendő, nagy tisztaságú TiB₂ poranyag alkalmazását javasolták, ahol az anyag 50 ppm oxigénértéknél kevesebbet tartalmaz. Ilyen anyagok alkalmazása azonban a már egyébként is a drága anyagköltséget növeli. Gyakorlatilag nincs olyan ismert elrendezés, amely katódként TiB₂-téglákat alkalmazna, és úgy működött volna hosszú ideig, hogy ne lett volna komoly adhéziós veszteség, vagy ne ment volna tönkre a tégla. Egy további problémát jelent a tűzálló kemény anyagok alkalmazásánál, hogy a mechanikai szilárdságuk és ellenálló képességük a hőfokkal szemben nagyon gyenge.

A különböző TiB₂- vagy RHM-anyagból kiképezett rétegek a szénfelületen nem tapadtak megfelelően, és ennek oka az, hogy a titán-diborid és a szén katódegység közötti hőtágulási tényezők erősen eltérőek.

Az US 4.093.524 számú szabadalmi leírás titán-diborid és egyéb tűzálló keményfémből készült téglák kötésére ismertet eljárást a vezetőalaphoz, például grafithoz. Azonban az RHM-anyagból készült téglák és a réteg közötti igen nagy hőtágulásiegyüttható-különbség további problémákat eredményezett.

Az SN 08/028.359 (MOL0516) függő bejelentés, amelynek a tartalmát részben idézzük, olyan eljárást ismertet, amelynek segítségével tűzálló keményfém vagy egyéb tűzálló komponensekből készült elemek az alumíniumgyártó cellák szénkatódjaihoz csatlakoztathatók úgy, hogy kolloid szuszpenziót használnak, amely kolloid szuszpenzió kolloid hordozóanyagban lévő tűzálló keményfémrészecskéket tartalmaz. A kolloid hordozóanyag lehet kolloid alumínium-oxid, kolloid ittriumoxid, kolloid cérium-oxid, amely ragasztóként működik a fenti elemek és a katód vagy egyéb alkatrészek között. A katód vagy egyéb alkatrészekhez történő kötődés során ez a szuszpenzió megszárad, és a száraz szuszpenzió mint vezető, termikusán illeszkedő ragasztóanyag hat, amely igen jó kötést valósít meg a fent említett elemek és a katód vagy egyéb alkatrészei között.

A PCT/EP93/00811 (MOL0508) számú bejelentés olyan eljárást ismertet, amely védő tűzálló bevonat vagy réteg előállítására szolgál, többek között széntartalmú anyagokhoz. Az eljárás során mikropirolízisreakcióval olyan réteget viszünk fel, amely réteg olyan szuszpenzióból van, amely kolloid hordozóanyagban lévő reakcióelem-részecskéket tartalmaz, amely a mikropirolízisreakciót elindítja. Ez a szuszpenzió adott esetben előformázott tűzálló anyagot is tartalmaz, maga a szuszpenzió pedig mint nem reagáló alréteg alkalmazható.

A PCT/EP93/00810 (MOL0513) számú bejelentés széntartalmú vagy egyéb anyagból kialakított építőelemet ismertet, amely nagy hőmérsékletű, korrodálóközegben, például oxidálóközegben, gáz- vagy folyékony korrodálóközegben vagy -szerben alkalmazható. Ez az építőelem olyan védőréteggel van bevonva, amely az elemnek az ellenálló képességét az oxidációs korrózióval szemben megnöveli, és ily módon növeli az adott elem villamos vezetőképességét és/vagy elektrokémiai aktivitását. Ez a védőréteg, amely legalább részben szilícium-oxid-alapú bevonat, olyan kolloid szuszpenzióból van előállítva, amely reagáló és nem reagáló közegek részecskéit tartalmazza, vagy adott esetben reagáló és nem reagáló közegek részecskéinek a keverékét, amelyek - hogyha az adott építőelemet megfelelő hőmérsékletre hevítjük - védőbevonatot képeznek azáltal, hogy végbemegy a szinterezési reakció és/vagy végbemegy a szinterezés reakció nélkül.

A találmánnyal célul tűztük ki az előbb említett megoldások hiányosságainak kiküszöbölését, és olyan tűzálló anyag, elsősorban tűzálló boridréteg létrehozását egy célszerűen széntartalmú felületen, amely a felületet a folyadékok, gázok korróziójától megvédi, elsősorban akkor, amikor a terméket alumínium előállításához alkalmazott cellák alkatelemeként, elsősorban katódjaként használjuk.

A találmány tárgya tehát szuszpenzió kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével gyártott alumínium készítésénél használatos cellák széntartalmú elemeinek tűzálló boriddal történő bevonásához, és ezen elemeknek az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseinek, úgymint a különböző ele3

HU218 031 Β meknek, ionoknak és vegyületeknek a romboló hatásától történő védelmére.

A szuszpenzió lényege, hogy előformázott kolloid hordozóanyagban lévő tűzálló boridot tartalmaz, ahol a kolloid alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnéziumoxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza. Ez a tűzálló boridbevonat jól tapad széntartalmú rétegekhez, biztosítja a kívánt védelmet a cella elemei számára, és rendelkezik az előírt mechanikai, fizikai, kémiai és elektrokémiai paraméterekkel.

A találmány tárgya továbbá olyan széntartalmú alkatrész, amely kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállított alumíniumgyártó cellákban alkalmazható, amelynek lényege, hogy az elemek az elektrolit folyadék- és/vagy gázkomponenseitől, amely elemek ionok vagy vegyületek lehetnek, előformázott, tűzálló kemény fém boridrészecskékből álló bevonattal vannak ellátva, amely szárított kolloid oldat, és amely az adott cellaelemre kolloid hordozóanyagban lévő, előformázott, tűzálló keményfém boridrészecskéket tartalmazó szuszpenzióként van felvive, továbbá a kolloid oldat alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza. Ez a bevonat a széntartalmú felületekhez megfelelően tapad, és ezeket a felületeket a folyadékok, füstök és gázok korróziós hatásától hatásosan megvédi akkor, ha alumíniumgyártó cellákban alkalmazzuk, és az összes ily módon előállított cellakomponensnek megfelelő mechanikai szilárdságot is biztosít a működésihőmérséklet-tartományban, és adott esetben még egyéb előírt paraméterek megtartását is lehetővé teszi.

A találmány tárgya továbbá eljárás tűzálló boridbevonat felvitelére széntartalmú alkatrészekre, amely alkatrészek kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállított alumínium gyártása során kerülnek felhasználásra, és az alkatrészeket az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseitől védjük, amelyek elemek, ionok vagy vegyületek lehetnek.

Az eljárás lényege, hogy az alkatrész felületére előformázott, tűzálló boridot kolloid hordozóanyagban tartalmazó iszapot viszünk fel, ahol a kolloid alumíniumoxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tóriumoxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet tartalmaz vagy ezek keverékét tartalmazza, majd az egészet megszárítjuk.

Az eljárás segítségével tűzálló boridréteget lehet széntartalmú cellakomponensekre felvinni úgy, hogy azon megfelelő bevonatot képezzenek, amely hőkezelésre vagy használat előtt vagy a cella használata alatt szilárdul, az alkatelemeknek fokozott védelmet biztosít, és az eljárás során a tűzálló boridréteget igen jól megvalósítható formában visszük fel.

A találmány tárgya továbbá eljárás olvasztott só elektrolíziséhez alkalmazott elektrokémiai cella széntartalmú alkatrészeinek védelmére, amely alkatrészek korróziós közegnek és/vagy az olvadtsó-elektrolitnak és'vagy az elektrolízis termékei hatásának vannak kitéve a működés során, amelynek lényege, hogy az alkatrészekre olyan szuszpenzióból viszünk fel védőbevonatot, amely előformázott, tűzálló boridrészecskéket tartalmaz kolloid hordozóanyagban, majd a bevonat felvitelét követően használat előtt vagy az alatt az alkatrészeket hőkezeljük, a hőkezelést olyan hőmérsékleten végezzük, hogy a boridok megszilárdulnak és tapadó védőréteggé alakulnak.

A találmány tárgya továbbá széntartalmú elem korra zív környezetben történő felhasználásra, amely korrozív környezet lehet oxidálóközeg, korrozív vegyületeket tartalmazó folyadék vagy gáz, viszonylag magas hőmérsékleten, amelynek az a lényege, hogy az elem ellenállását az oxidáló, és korróziós közegben növelő, és ezen túlmenően a villamos vezetőképességet és/vagy az elektrokémiai aktivitást növelő védőbevonattal van ellátva, amely és a védőbevonat előformázott, tűzálló boridanyag és kolloid hordozószuszpenziója, amely hordozó alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.

Ugyancsak a találmány tárgya olvasztottsó-elektrolízisénél használt elektrokémiai cellaelem, amely használat közben korrozív közegnek vagy az olvasztottsóelektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának van kitéve, és amelynek lényege, hogy az alkatrész védőbevonattal van ellátva, amely az oxidáló, vagy korróziós közeggel szembeni ellenálló képességet, a villamos vezetőképességet és/vagy az elektrokémiai aktivitását növeli, és a védőbevonatot kolloid hordozóban lévő, előformázott, tűzálló boridrészecskék szuszpenziója képezi, ahol a kolloid hordozó alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetátmonoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.

A találmány tárgya még eljárás széntartalmú, olvasztott só elektrolízisénél alkalmazott elektrokémiai cellák alkatrészeinek oxidáló, és korróziós hatással szembeni ellenállóságának a növelésére, amikor is az adott alkatrészek használat közben korróziós közegnek vagy az olvasztottsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának vannak kitéve, amelynek lényege, hogy az eljárás során az adott alkatrészt olyan védőbevonattal látjuk el, amely kolloid hordozó és előformázott boridrészecskék szuszpenziója, majd a szuszpenzió felvitelét követően használat előtt vagy használat alatt olyan hőmérsékletre melegítjük az elemet, amelynek hatására az előformázott boridrészecskék megszilárdulnak és tapadó védőréteget képeznek.

A találmány tárgya még olyan alumíniumgyártócella-alkatrész, amely a cella működése során olvadt ki iolit vagy alumínium hatásának van kitéve, amely a találmány szerinti széntartalmú anyagból képezett réteget és tűzálló boridbevonatot tartalmaz.

HU 218 031 Β

Végül a találmány tárgya alumíniumgyártó cella, amely legalább egy olyan alkatrészt tartalmaz, amely a cella működése során keletkező vagy a cellában lévő korrodáló- vagy oxidálógáz hatásának van kitéve, és amely találmány szerinti széntartalmú réteget és tűzálló boridbevonatot tartalmazza.

Az alumíniummal nedvesíthető, tűzálló, villamosán vezető, ugyanakkor tapadó boridbevonat úgy került kifejlesztésre, hogy elsődlegesen széntartalmú anyagból készült, a cella alját képező katód felületére alkalmazzuk. Ezzel meg lehet védeni a széntartalmú anyagot a nátrium és a levegő hatásától, amely mindkettő a katódegységek deformációját eredményezné, továbbá el tudjuk ily módon kerülni a veszélyes nitrogénvegyületek, például cianidok keletkezését.

Abban az esetben, ha a széntartalmú cellaelemeket a nátrium-fluorid vagy egyéb agresszív elemek hatásától - amelyek az elektrolitben találhatók meg - védjük, úgy a cellák paraméterei és hatásfoka is javul. Mivel a nátrium-fluorid - amely az elektrolitban van - a szén cellaaljjal és a -falakkal a találmány alkalmazásakor nem tud reakcióba lépni, a cella paraméterei adott fürdővel úgy tudnak működni, hogy nincs szükség arra, hogy az elektrolitot újradúsítsuk nátrium-fluoriddal.

Az alumíniummal nedvesíthető tűzálló boridbevonat lehetővé teszi, hogy ne kelljen olyan magas alumíniumfürdőt alkalmazni, amely részben a szénkatód védelmére szolgált, és lehetővé teszi, hogy a cellát süllyesztett katóddal valósítsuk meg. További bevonatok is kifejlesztésre kerültek, amelyek a felső, széntartalmú falak, illetőleg a cellafedél, valamint az anód áramvezető sínjeinek és tartóelemeinek a védelmére szolgálva a fluoridtartalmú füstök és az oxigén vagy levegő oxidálóhatásától, az alsó rész pedig a kriolittartalmú elektrolit hatásától védik meg. Ez utóbbiról részletesen a PCT/EP90/00810 számú bejelentésben található információ.

A találmány szerint kialakított védőréteg védőhatása lehetővé teszi, hogy viszonylag olcsó, széntartalmú anyagokat alkalmazzunk borításként vagy rétegként. Ilyen olcsóbb, széntartalmú anyag lehet például az a réteg, amely kevesebb grafitot tartalmaz a sokkal drágább antracit helyett, ugyanakkor a cella környezetében lévő korróziós hatás ellen az ellenállása jobb lesz.

A tűzálló boridbevonat a következő tulajdonságokkal rendelkezik: igen jól nedvesíthető az olvadt alumíniummal, nagyon jó a tapadóképessége a széntartalmú rétegekhez, ellenáll az olvadt alumínium és a kriolit hatásának, olcsó, környezetvédelem szempontjából előnyös, képes arra, hogy a termikus és mechanikus sokkhatásoknak ellenálljon ott, ahol az antracitalapú vagy egyéb széntartalmú rétegek szétesnének vagy rétegekre bomlanának, az alumíniumgyártó cellák környezetében tartósan működtethető, könnyű alkalmazni és előállítani. Az így létrehozott bevonatnak megfelelő, szabályozott mikroporozitás biztosítható, és ugyanúgy szabályozható a behatolása is a porózus széntartalmú rétegbe. Ily módon tehát a létrehozott tűzálló boridrétegben a részecskék eloszlása is egyenletes lesz.

Amikor a tűzálló boridréteget széntartalmú rétegre visszük fel - például grafit- vagy antracitalapú, széntartalmú rétegre, amelyet alumíniumgyártó cellákban alkalmaznak, és amely az olvadt elektrolittal és/vagy az olvadt alumíniummal érintkezésbe lép -, a bevonat ezt a réteget megvédi a kriolit és a nátrium hatásával szemben, ugyanakkor egy vékony alumíniumfilm védőréteg jön létre magán a bevonaton is.

A tűzálló boridbevonat igen sok helyen alkalmazható, éppen a kiváló ellenálló képessége miatt, valamint a stabilitása miatt, amely akkor is biztosítva van, ha folyékony vagy füst korróziós hatásának van kitéve a cellában, vagy az elektrolízis során keletkező termékek hatásának van kitéve még akkor is, ha a működési hőmérséklet alacsony, azaz alacsony hőmérsékletű elektrolízissel állítják elő az alumíniumot. Erre található példa az US 4.681.671 és a PCT/EP92/02666 számú leírásokban.

Kolloid szuszpenzió

A találmány szerinti szuszpenzió tűzálló keményfémboridból széntartalmú komponensekre alkalmazható, például alumíniumot gyártó cellák esetén, amikor is az alumíniumot kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével állítják elő. A szuszpenzió a különböző komponenseket az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseinek romboló hatásától védi meg, amelyek elemek, ionok vagy vegyület formájában lehetnek jelen, maga a szuszpenzió pedig előformázott, tűzálló boridrészecskéket tartalmaz kolloid hordozóanyagban.

Előnyös lehet a kolloidokat vagy kolloidok keveréket alkalmazni bevonatként. A kolloid feldolgozására háromféle módszer lehetséges. Az első szerint bizonyos poliszacharidoldatok zselésítéséről van szó. Ez azonban a találmány szempontjából nem bír nagy jelentőséggel. A másik két eljárás szerint kolloidokat és szerves fémvegyületeket dolgozunk fel. Ez utóbbi két esetben az anyagok keverésének igen széles skáláját lehet alkalmazni. Kolloidok alatt értünk minden olyan elemet, amely legalább egy 0,5 nm és 10 pm méretű részecskéket tartalmaz diszperziós közegben. A mi esetünkben a diszperziós közeg folyadék. Ezen méretek a kolloidokat az egyéb térfogatrendszerektől a következők miatt különböztetik meg: a) rendkívül nagy felület érhető el, és b) a molekulák jelentős része a kolloid rendszer felületén marad. A molekulák közül egészen 40%-ig terjedhet azon molekulák száma, amely a felületen marad. Azok a kolloid rendszerek, amelyek a találmány szempontjából jelentősek, termodinamikusan stabil liofil típusú rendszerek, amely makromolekula-rendszereket, például polimereket tartalmaz, és kinetikailag stabil liofób rendszerek, azok, amelyek a részecskéket foglalják magukba.

Vizes szuszpenzióban lévő nem oldódó oxidok felületi villamos töltéseket hoznak létre a felület hidroxilezésével a felületen lévő hidroxidcsoportok szétbontása útján. Tipikusan ilyen egyenletek az alábbiak:

M (OH) felület+H₂O <-> MO- felület+H₃O⁺

M (OH) felület+H₂O <-> ΜΐΌΗ, ρ felület+OH , ahol M a fém vagy komplex kationok számát jelenti.

Az ilyen felületi töltések, valamint a London and Ven dér Waals-erők a részecskéket agglomerálódva tartják. Egy adszorpciós anyagréteg, polimer vagy felü5

HU 218 031 Β letaktív közeg a részecskék egymáshoz képesti reakcióját különböző módon módosítja. Az alábbiak szerint ismertetett keverési eljárás során a részecskéket előformázott, tűzálló boridként visszük be.

Kolloidokat kationok hidrolízisével lehet például előállítani. Számos olyan fémion van, amely hidrolízisnek vethető alá, mivel igen nagy a villamos töltése vagy a töltéssűrűsége. A hidrolízis kezdeti termékei lecsapathatók és polimerizálhatok, és ily módon lehet többértékű fémet vagy többmagos ionokat létrehozni, amelyek maguk kolloid állapotúak. A töltés és a pHérték határozza meg a központi kationok ligandját, és az anion/kation arány vezérli és szabályozza a polimerizáció fokát és a szuszpenzió stabilitását. A pH értéke 0-14 lehet. Igen széles tartományban lehet polinukleáris kationhidrolízis-termék, amelynek töltése 2⁺-tól 6⁺ig változhat.

A kolloid képzése úgy történik, hogy egy kiindulási anyagot, például egy reagens fémsót vegyi úton diszpergálható oxiddá alakítunk, amely a kolloid oldatot oldó sav vagy víz hozzáadásával hozza létre. Ha a vizet eltávolítjuk, tehát például szárítjuk a kolloid oldatot és/vagy a kolloid oldatból az anionokat eltávolítjuk, zselészerű terméket kapunk.

A kolloid hordozóanyag általában kolloid állapotú alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cériumoxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, monoalumínium-foszfát vagy cérium-acetát és általában valamilyen vizes közeg, amellyel kapcsolatosan azt tapasztaltuk, hogy jelentős mértékben javítja a bevonat paramétereit azáltal, hogy nem reakció útján jön létre a szinterezés.

A kolloid szuszpenzió előformázott tűzálló, keményfémborid vagy -boridok szemcsés részecskéit tartalmazza. 900 °C fölött a szinterezés vagy megszilárdulás megfelelő magas hőmérsékleti körülmények között jön létre.

A szuszpenziók összetevői a következők:

a) Hordozóanyag, amely olyan kolloid folyadékokból van kiválasztva, mint például kolloid alumíniumoxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tóriumoxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, monoalumínium-foszfát vagy cérium-acetát vagy ezek keveréke.

b) Porszerű adalékanyag, amely előformázott, tűzálló boridot tartalmaz.

A kolloid oldat kolloid prekurzorokból és reagensekből hozható létre, amelyek legalább egy sóoldat, úgymint klorid, szulfát, nitrát, klorát, perklorát oldatait, vagy pedig szerves fémsók, például alumínium-, szilícium-, ittrium-, cérium-, tórium-, cirkónium-, magnézium- és lítium-acetát formiátjainak vagy alkoxidjainak oldatait tartalmazzák. Ezek a kolloid prekurzorok vagy kolloid reagensek tartalmazhatnak ezenkívül még kelátképző adalékanyagokat is, például acetil-acetont, vagy etil-acetátot. Az előbb említett szerves fémsóoldatok lényegében fémalkoxidok, amelyek az M(OR)_Z általános képlet szerint írhatók le, ahol M fém vagy komplex kation, R az alkillánc, z pedig egy egész szám, amely 1 -12-ig terjedhet.

A találmány szerinti megoldásnál az előformázott, tűzálló boridrészecskék titán, króm, vanádium, cirkónium, hafnium, niobium, tantál, molibdén és cérium boridjaiból választhatók ki. Előnyös, ha a tűzálló borid titán-diborid.

Amikor a porszerű adalékanyagot választjuk ki, nagy jelentősége van a részecskék méretének. Előnyös tehát, ha a részecskék mérete 100 pm alatt van, és a részecskék méretét úgy választjuk ki, hogy a csomagolásuk optimális legyen. Előnyös például, ha a részecskék méretét olyan tartományban választjuk ki, hogy a legkisebb méretű részecskéből legalább kétszeres, előnyösen azonban legalább háromszoros mennyiség van, mint a nagyobbakból. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a részecskék mérete a 2:1-től a 15:1-ig változhat, előnyösen azonban 3:1-től 10:1-ig. Például a 3:1 tartomány azt jelenti, hogy a nagyméretű részecskék 15-30 pm méretűek, a kis mennyiségű részecskék 5 -10 pm értékűek és a 10:1 arány azt jelenti, hogy a nagyméretű részecskék aránya 30-50 pm, míg a kisméretű részecskék aránya 3-5 pm. Az előformázott fém boridrészecskék szemcsemérete célszerűen 3 pm-től 50 pm tartományig terjedhet.

A szuszpenzió előnyösen 5-100 g előformázott, tűzálló boridrészecskét tartalmaz minden 10 ml kolloid oldatnál, a kolloid oldatnak pedig a száraz kolloidanyag-tartalma 50%-ig terjedően választható meg a kolloid és a folyékony hordozóanyaghoz viszonyítva, előnyösen ez a tartomány 10-20 tömeg%.

A kolloid valamilyen folyadékban van, amely lehet víz, adott esetben tartalmazhat még legalább lítium-, alumínium-, cérium-, nátrium-, káliumvegyületet is, például legalább egy lítiumvegyületet és legalább egy alumíniumvegyületet. Erre vonatkozóan kitanítás található az SN 08/034.238 (MOL0518) számú bejelentésben.

A termék előállítása

A találmány tárgya szerinti eljárás során széntartalmú katódokat védjük kriolit, olvadt alumínium és nátrium támadásával szemben oly módon, hogy TiB₂ vagy egyéb tűzálló keményfémboridot tartalmazó kolloid bevonatot viszünk fel.

A találmány szerinti eljárás során a tűzálló keményfém boridbevonatot alumínium gyártásánál használt cella széntartalmú elemeire visszük fel. Az eljárás különösen akkor alkalmazható, ha az alumíniumot kriolitalapú olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével állítjuk elő, és a találmány szerinti eljárás során az egyes elemek felületére olyan szuszpenziót viszünk fel, amely az előbbiekben ismertetett kolloid hordozóanyagban lévő előformázott, tűzálló boridrészecskéket tartalmaz, majd a felvitt szuszpenziót megszárítjuk, és az alumíniumot előállító cellában alkalmazott elemekre hőkezeléssel visszük fel vagy azelőtt, mielőtt a komponenseket beszerelik, vagy pedig azután.

A szuszpenzió felvitele festéssel is történhet, tehát ecsettel vagy festőhengerrel, történhet mártással, szórással vagy a szuszpenziónak a rétegre történő öntésével úgy, hogy biztosítjuk azt, hogy egy második réteg előtt az elsőt megszárítjuk. A bevonatot adott esetben nem szükséges teljes mértékben megszárítani a következő réteg felvitele előtt. A bevonat melegítésére önmagában ismert hőforrások alkalmazhatók, adott esetben olya6

HU 218 031 Β nők, amelyekkel teljes mértékben megszárítjuk a réteget, ily módon ugyanis a bevonatnak a denzifikációja növekszik. A hőközlés célszerűen levegőben történik, de adott esetben történhet bármilyen más oxidálóatmoszférában, vagy inért gázban vagy redukálóatmoszférában. A levegőn történő hőkezeléshez a hőmérséklet 80-200 °C, a hőkezelés fél órától néhány óráig tarthat. Ez az időtartam általában elegendő.

A kezelendő felületet adott esetben először homokfúvással tisztítjuk, vagy valamilyen savval kezeljük, vagy fedőporral, például kriolittal borítjuk, vagy egyéb fluoriddal vagy kloriddal kezeljük a bevonat felvitelét megelőzően. Hasonló módon a bevonattal ellátandó részek szerves oldószerekkel, például acetonnal is tisztíthatok, ekkor ugyanis a különböző olajos részecskék vagy egyéb szennyeződések jól eltávolíthatók. Egy ilyen jellegű tisztítókezelés nagymértékben elősegítheti a bevonatnak a széntartalmú réteghez való kötődését. Azt követően, hogy a bevonatot a rétegre mártással, festéssel, szórással vagy hasonló módon felvittük és azon azt meg is szárítottuk, a végső kolloid bevonat kialakítható használat előtt is.

Általánosságban elmondhatjuk, hogy a bevonat felvitele előtt és után és használat előtt az elem reagens anyagokkal vagy prekurzorokkal, gélekkel és/vagy kolloiddal befesthető, beszórható, mártással vagy azok filtrálással felvihetők. A kolloid hordozóanyagban tűzálló boridrészecskéket tartalmazó szuszpenzió felvitele előtt a széntartalmú elemet impregnálni is lehet, például lítiumvegyülettel, ily módon lehet ugyanis biztosítani és növelni az ellenálló képességét a nátrium behatolásával szemben, ahogyan ez az SN 08/028.384 (MOL0515) számú bejelentésben ismertetve is van.

Annak érdekében, hogy a komponensek nedvesedése az olvadt alumíniummal gyorsabban menjen végbe, a felvitt tűzállóanyag-bevonatot olvadt alumínium hatásának lehet kitenni olyan közeg jelenlétében, amely elősegíti az alumínium behatolását a tűzálló anyagba. Ilyen közeg lehet például lítium, nátrium vagy ezek keverékének fluoridja, kloridja vagy borátja. Az ilyen kezelés elősegíti a tűzálló bevonat alumíniummal történő érintkezését azáltal, hogy alumínium hatol be a felületébe. A bevonat alkalmazható az alumíniumot gyártó cellák külső elemeire és külső oldalára éppúgy, mint a cellákban lévő alkatrészekre. Célszerű, ha a cellák fala legalább részben a használatot megelőzően ilyen bevonattal van ellátva. A cella esetében előnyös, ha a cella aljának az a része, amely a széntartalmú anyag hatásának van kitéve, bevonattal van ellátva. A szuszpenzió előnyösen alkalmazható a cella alján úgy is, hogy több réteget viszünk fel, mindegyik réteget előzetesen - tehát a következő réteg felvitelét megelőzően - megszárítjuk, majd a végső szárítási lépést mobil hőforrás segítségével végezzük.

A találmány általánosságban olyan eljárásra vonatkozik, amellyel széntartalmú anyagok korrózió- és oxidációálló bevonatát hozzuk létre. Az ilyen módon bevonattal ellátott széntartalmú anyag korrodálóközegben, például oxidálóközegben, vagy gáz, vagy folyékony szer közegében nagyobb hőmérsékleten is jól alkalmazható. Célszerű, ha az ily módon létrehozott termék olyan elektrokémiai cella részét képezi, amely alumínium gyártásánál használatos, még pontosabban olyan alumíniumgyártásnál, amikor az alumíniumot kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével állítják elő. Ezek a termékek korróziós atmoszférában, vagy kriolit és/vagy az elektrolízistermékeket tartalmazó atmoszférában alkalmazhatók. A találmány szerinti eljárás egy részét képezi a védőbevonatnak a felvitele, amely bevonat előformázott, tűzálló borid és kolloid hordozóanyagból képezett szuszpenzió, és a bevonat felvitelét követően a használat előtt vagy alatt hőkezelésnek vetjük alá a bevonatot, ily módon szárítva, és a szárítás során a boridok megszilárdulva, tapadó védőréteget képeznek.

Cellaalkatrészek

A találmány szerinti megoldás alumínium gyártásánál alkalmazott cellák alkatrészeként alkalmazható, különösen pedig ott, ahol a cellarészek az olvadt kriolittal és/vagy olvadt alumíniummal érintkeznek. A cellának ilven része például a katód vagy pedig a katódosan kiképezett cellaalj.

A cellának azon részei, amelyek a cella működése során korróziós vagy oxidációs gázközegnek vannak kitéve, szintén elláthatók ilyen bevonattal, ezek a bevonatok ugyanis a megvédik az elemeket a korróziós és oxidációs hatástól.

A találmány szerinti megoldással a cella széntartalmú elemei védőbevonattal láthatók el, a cellaelemek ily módon a folyadék és/vagy az elektrolit és/vagy gáz komponenseitől védettek, védettek továbbá a különböző ionoktól és egyéb vegyületektől azáltal, hogy előreformázott, tűzálló keményfémboridot tartalmazó, száraz kolloid bevonattal vannak ellátva. Ez a bevonat előreformázott, tűzálló keményfémborid-részecskéket kolloid hordozóanyagban tartalmazó szuszpenzió.

A cellának azok az elemei is elláthatók bevonattal, amelyek a katódhoz az áramot vezetik, de elláthatók ilyen bevonattal a katódáram-vezető sínek vagy az anódáram-vezető sínek is. Maga az elem, amelyet bevonattal látunk el, lehet egy bipoláris elektród, amelyet vagy a katódoldalon vagy az anódoldalon, vagy mindkét oldalon ellátunk bevonattal.

A szuszpenzióból készített, tűzálló boridot tartalmazó bevonat vastagsága 150 pm-1500 pm lehet, előnyösen azonban 200 pm-500 pm, a vastagsága függ az alkalmazott rétegek számától, az előformázott borid szemcseméretétől és a szén porozitásától. Abban az esetben, ha olyan boridrészecskéket alkalmazunk, amelyek apró szemcsékből vannak, a kis szemcséjű boridok behatolnak a szénkomponensek pórusai közé, és lényegében ily módon rögzítik a bevonatot. Tipikusnak tekinthető, hogy a boridok a szénben 50-200 pm mélységbe hatolnak be. A kolloid oldat impregnálja a szénkomponenseket, ez az impregnálás azáltal megy végbe, hogy a száraz kolloid részecskék a szén alkatrészeken diszpergálnak.

A találmány általánosságban kriolitbázisú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállított alumínium gyártásánál használt elektrokémiai

HU 218 031 Β cellákra vonatkozik, ahol használat közben az alkatrészek korróziós közeg vagy az olvadt kriolit és/vagy a cellában lévő elektrolízistermék hatásának vannak kitéve. Ezeket az alkatrészeket látjuk el védőbevonattal, amely az alkatrészeknek az oxidációval és korrózióval szembeni ellenálló képességét növeli, továbbá javítja a villamos vezetőképességüket és/vagy az elektrokémiai aktivitásukat. A védőbevonatot olyan kolloid szuszpenzióval vittük fel, amely előformázott, tűzálló boridrészecskéket tartalmaz, és amely réteg azután meg van szárítva. Ha az alkatrészeket elegendő hőmérsékletre melegítjük a cellában történő felhasználásuk előtt, a védőbevonat reakció nélküli szinterezéssel és megszilárdulással megy végbe.

A találmány szerinti bevonat igen jól alkalmazható az alumíniumot gyártó cellák különböző alkatelemeihez, különösen akkor, ha azok a használat során az olvadt kriolit és/vagy az olvadt alumínium, vagy pedig a különféle korrodálófüstök és -gázok hatásának vannak kitéve, és maga az alkatrész széntartalmú anyagból készült réteggel is el van látva, vagy önmagában egy széntartalmú anyag, amelyet azután a találmány értelmében tűzálló boriddal vonunk be, amely borid titán, króm, vanádium, cirkónium, hafnium, nióbium, tantál, molibdén és cérium legalább egyikének a boridja, vagy ezeknek a keveréke, és amelyek legalább alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid és lítium-oxid valamelyikének tűzálló vegyületével vannak összekeverve.

Maga az alkatrész általában olyan széntartalmú anyag lehet, amely petróleumkoksz, metallurgiai koksz, antracit, grafit, amorf szén, fluerén, kis sűrűségű szén vagy ezek keverékéből áll. Természetesen olyan összetett anyagok is elláthatók bevonattal, amelyek ezen előbbiek során felsorolt, különféle szénformákból egyet vagy többet, és adott esetben még további anyagot is tartalmaznak.

Különösen előnyös a találmány szerinti tűzálló boridbevonat olyan elemeknél, amelyek kis sűrűségű szénrétegből vagy szénelemből vannak, és amelyek a cella működése során az ott felszabaduló oxidálógáz hatásának vannak kitéve, vagy adott esetben a bevonandó elem a cella anyagának egy rétege. Kis sűrűségű szén viszonylag olcsó szénformákat jelent, amelyek viszonylag porózusak, jó a vezetőképességük, de alumínium gyártásánál alkalmazott celláknál mindeddig nem voltak használhatók, mert igen nagy mértékben igénybe vette ezeket az elemeket a cellában lévő korróziós oxidációs közeg. A találmány szerinti megoldással azonban ezek a kis sűrűségű szénelemek is elláthatók megfelelő bevonattal, és ily módon alkalmassá válnak arra, hogy a cellákban az igen drága, nagy sűrűségű antracit vagy grafit helyett használjuk, ugyanakkor ki tudjuk használni az igen jó vezetőképességüket és a viszonylag alacsony árukat. Maga a réteg széntartalmú egységekből állhat, amelyek egymáshoz illesztve képezhetik az alumíniumból gyártott cella alját, vagy lehetnek széntartalmú részecskékből összeállított elemek, amelyek a cella alját képezik, és amely például a katódos fürdőhöz - ha van ilyen - az áramot vezeti, vagy pedig az áramot vezetheti egy vékony alumíniumréteghez a tűzálló boridbevonaton keresztül az elvezetéses cellákban.

Az elemek célszerűen a katód egy részét képezik, amelyen keresztül az elektrolízis árama folyik, a tűzálló boridbevonat pedig a katódnak azt a felületét képezi, amely a katódosan keletkező alumíniummal érintkezik. Abban az esetben, ha elvezetéses katódról van szó, a tűzálló boridbevonat a katód felületének azt a részét képezi, amelyen az alumínium katódosan lerakódik, és az egyes elemek általában felfelé állóan vagy ferdén vannak elhelyezve, lehetővé téve azt, hogy az alumínium a katódos felületről elvezethető legyen.

Az elektrolitikus cella és működése

A találmány szerinti megoldás alumínium gyártásánál használatos cellákhoz alkalmazható, továbbá alkalmazható az ilyen cella működtetésére, a cella összeszerelésére és/vagy működtetésére.

A találmány szerint kialakított cellák olyan elemeket tartalmaznak, amelyek a cella használata során az olvadt kriolit vagy alumínium hatásának vannak kitéve. Ezen elemek széntartalmú anyagból készült réteget is tartalmaznak, amelyet tűzálló boridbevonattal látunk el, amely tűzálló boridbevonatot a találmány szerinti módon kialakított kolloid szuszpenzióból hozunk létre, és a keletkező alumíniumtermék ezzel a tűzálló boridbevonattal érintkezik, amely lehet katód, vagy képezheti a cella katódos alját.

A találmány alumíniumgyártó cellákra vonatkozik, amelynek legalább egy olyan komponense, illetőleg eleme van, amely a cella működése során a cella működésekor felszabaduló vagy jelen lévő korrodáló, illetőleg oxidálógáz hatásának ki van téve, ez a cellaelem tartalmaz széntartalmú anyagból kialakított réteget, amely boridbevonattal van ellátva, amely tűzálló boridbevonat kolloid szuszpenzióként rakódik rá, amely kolloid szuszpenzióról a korábbiakban már írtunk.

A cella működése a következő:

- létrehozzuk azt a cellaalkatrészt, amely széntartalmú rétegből van kiképezve, és rajta tűzálló boridból van olyan védőbevonat, amelyet úgy viszünk fel a rétegre, hogy kolloid hordozóanyagot és előformázott tűzálló boridrészecskéket tartalmazó szuszpenziót viszünk fel, majd ezt megszárítjuk, és adott esetben az alkatrészt hőkezelésnek vetjük alá, majd

- a bevonattal ellátott elemet elhelyezzük a cellában úgy, hogy a tűzállóanyag-bevonat a katódosan keletkező alumíniummal és/vagy az olvadt elektrolittal és/vagy az anódoldalon felszabaduló gázzal érintkezik és

- a cellát, amely a bevonattal ellátott réteget tartalmazza, a katódosan keletkező alumíniumtól, az olvadt elektrolittól és az anódosan kiváló gáztól a találmány szerinti bevonattal megvédjük, mivel a fenti anyagok csak ezzel a bevonattal érintkeznek.

A cella működése során előnyös, ha alacsony hőmérsékleten működtetjük, tehát olyan halogéntartalmú elektrolittal, amely oldott alumínium-oxidot tartalmaz, és a működési hőmérséklet 900 °C-nál alacsonyabb, előnyösen 680-880 °C. Az alacsony hőmérsékletű elektro8

I

HU 218 031 Β lit lehet például fluoridolvadék, vagy pedig fluorid-klorid olvadék keveréke vagy kloridolvadék.

Az alacsony hőmérsékletű eljárásnál alacsony áramsűrűségről van szó, amelynél azonban az alumíniumoxid oldódása is alacsony. Ez szükségessé teszi, hogy nagyméretű anódokat és ennek megfelelően nagyméretű katódokat is alkalmazzunk. Ebben az esetben azonban ezeknek az anyagoknak igen nagy felületei kerülnek korróziós körülmények közé a cellában. A nagyméretű felületeket a találmány szerinti bevonattal látjuk el, amely különösen éppen ezeken az alacsony hőmérsékleteken előnyös.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakja segítségével a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábrán szén fenékrésszel és alacsony cellafallal kialakított, alumínium gyártására alkalmas cella látható a találmány szerinti bevonattal ellátva, metszetben, a 2. ábrán a találmány egy további példakénti kiviteli alakjának megfelelően kialakított alumíniumgyártó cella látható, ahol a szénanódok a találmány szerinti bevonattal ellátva az olvadt alumíniumfürdőt tartalmazó cella aljánál van elhelyezve, a 3. ábrán egy újfajta, alumínium gyártására kialakított cellakiviteli alak látható, ahol a szén katódelemek V alakban vannak kiképezve, a találmány szerinti bevonattal vannak ellátva, és a cella aljához vannak rögzítve, és kölcsönhatásban vannak a szintén ferdén kiképezett anódokkal, a 4. ábrán egy olyan szénkatódokkal ellátott alumíniumgyártó cella látható, amelynek ferde felső felületei vannak, amelyek a találmány szerinti bevonattal vannak ellátva, és a cella aljához vannak rögzítve, és együttműködnek a szintén ferdén elrendezett anódokkal, az 5. ábrán pedig a találmány szerinti, alumínium gyártására szolgáló cella keresztirányú metszete látható, ahol a találmány szerinti bevonattal ellátott áramvezető sínek a bevonattal ellátott cella aljához vannak rögzítve.

Az 1. ábrán látható vázlatosan a Hall-Héroult-féle eljárással készített, alumínium gyártására alkalmas cella találmány szerint kialakított változata, amely cellának van egy 1 aljarésze, amely olyan tűzálló bevonattal van ellátva, amely alumíniummal nedvesíthető anyag, és amelyet a találmány szerint készítettünk. A cellafal felső része olyan 10 bevonattal van ellátva, és amely ellenáll az oxidációnak, az alsó része 9 bevonattal van ellátva, és ez a kriolitnak áll ellen. Maga a cella tehát 1 aljból és 2 oldalfalakból áll, amelyek fémből vannak, és amelyek 3 acélburkolatban vannak elhelyezve. A cella 1 alja és a 2 oldalfalai antracitalapú szénegységekből vannak kialakítva, amelyek szénalapú döngölő- és tömörítőpasztával vannak egymáshoz csatlakoztatva. A cella 1 alján 4 áramvezető sínek vannak bevezetve, amelyek a negatív pólusra vannak csatlakoztatva. A 4 áramvezető sínek alumíniummal szembeni védelmére alumíniumnak ellenálló 11 bevonat van a 4 áramvezető sínekre felvive, és ez a 11 bevonat a találmány szerinti eljárással felvive.

Az 5 anódok hagyományos és ismert módon előállított előégetett szénből vannak, amelyek szintén önmagában ismertek, és az ábrán nem szereplő olyan mechanizmussal vannak felfüggesztve, amelyek lehetővé teszik az 5 anódok magasságának állítását. A cellában elhelyezhetők még oxigénfejlesztő nem szén 6 anódok is, amelyek a szénből készült 5 anódok helyett alkalmazhatók. Ezeknél azonban nincs szükség a függőleges helyzet állíthatására, mivel ezek nem fogyó 6 anódok. Az 5 és 6 anódok az olvadt 7 elektrolitba merülnek, amely 7 elektrolit általában kriolitalapú olvadék, amelyben alumínium-oxid van oldva, amely alumínium-oxid a fürdő tetején lebeg, vagy pedig egy vékony 8 réteget képezve mint olvadt alumínium a cella aljánál helyezkedik el. A működés közben a kriolitalapú 7 elektrolit általában 950 °C-ra van felmelegítve, a találmány szerinti eljárást alkalmazva azonban az elektrolittal telített cella 900 °C alatt is képes működni, előnyösen egészen 700 °C-ig.

A találmány szerinti megoldást alkalmazva a széncella 1 alja, illetőleg a teljes alsó felülete, valamint a 2 oldalfalak alsó része, amely az olvadt alumínium 8 réteg hatásának van kitéve, olyan szuszpenzióval van bevonva, amely egy tapadó 9 bevonat, és amely alumíniummal nedvesíthető tűzálló boridból, előnyösen titándiboridból van, és a szénanyag maga a kiszáradt kolloiddal, azon alumínium-oxiddal, cérium-oxiddal, ittrium-oxiddal és/vagy szilícium-oxiddal impregnálódik. Ez a 9 bevonat célszerűen mindaddig a szintig ki van képezve, amely az olvadt alumínium 8 réteg maximális szintjének felel meg, vagy adott esetben egészen a megszilárdult elektrolitot tartalmazó 12 kéregig, ha ilyen van. Amennyiben kívánatos, akkor a titán-diborid-bevonat alkalmazható a szénnek a kriolittal szembeni védelmére is, azaz egy másik, az előzőtől eltérő 10 bevonat vihető fel a 2 oldalfalak felső részére, hogy a 2 oldalfalakat az oxidáció és a fluoridtartalmú füstök hatásától megvédje.

Az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonat alkalmazása azt jelenti, hogy a cella egy viszonylag alacsonyabb, olvadt alumíniumból képződő 8 réteggel működtethető, és az 5 és 6 anódok viszonylag kis távolságra, 20-30 mm távolságra helyezhetők el a 8 réteg fölött. Ez a csökkentett anód-katód-távolság azt eredményezi, hogy a 7 elektroliton keresztül lényegesen kisebb lesz a feszültségesés, ami pedig azt vonja magával, hogy a működés során a hődisszipáció is csökken. Ily módon tehát elérhető az, hogy a cellában nem fog ki alakulni a megszilárdult elektrolit 12 kéreg a cella kerülete mentén, különösen akkor, ha nem fogyó 6 anódokat alkalmazunk, vagy legalább ez a 12 kéreg lényegesen kisebb lesz, mint az ismert esetekben.

Az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonat közvetlenül alkalmazható egy új, még nem használt, vagy újjáépített cella 1 aljának a kialakításánál, de alkalmazható a

HU 218 031 Β régi cellák esetében is, amikor a cellából az olvadékot szervizeléskor és az ellenőrzéskor kiürítik, és a cella 1 aljáról a károsodott, illetőleg a reakcióba lépett részeket leválasztják és új felületet képeznek ki.

Annak érdekében, hogy az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonatot illetőleg további 10 vagy 11 bevonatokat létrehozzuk, többrétegű szuszpenziót kell felvinni, amely kolloid hordozóanyagban tűzálló boridrészecskéket tartalmazó szuszpenzió, amelyet a továbbiakban még ismertetünk. A szuszpenzió a felületre például egyszerűen kefével felvihető. Az egymás utáni rétegek között szárítási lépést célszerű beiktatni. Azt követően, hogy a legutolsó réteg is felkerült, a 9, 10 vagy 11 bevonatot célszerű úgy megszárítani, hogy mobil hőforrást viszünk a berendezéshez, amely 100-200 °C-os hőmérséklettel melegíti a réteget, és azt több percig, vagy adott esetben akár fél óráig is szárítjuk.

Azt követően, hogy az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonatot felvittük, a cellát az önmagában ismert működési feltételnek megfelelően az elektrolittal és az alumíniummal meg lehet tölteni, majd a hőmérsékletet a működési hőmérsékletre növelve lehet a cellát működésbe hozni. A működéshez az 5 és 6 anódok és a cella 1 alja között a megfelelő anód-katód-távolság betartásával áramot vezetünk. Az alatt az időtartam alatt, amíg a cella működési hőmérsékletét eléri, a 9 bevonat boridtartalma megszilárdul.

Azáltal, hogy a cella 1 alját az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal elláttuk, a cella működése során az 1 aljat a nemkívánatos reakcióktól, amelyek az elektrolit komponenseivel következhetnek be, kiküszöböltük, a cella elvezetéses katóddal működtethető, az anód-katód-távolság csökkenthető, semmiféle iszap vagy egyéb szennyező anyag nem tud lerakódni az alumínium 8 réteg és a cella 1 alja közé.

A működési hatásfok lényegesen javult, az energiafogyasztás csökkent, és a cella élettartama jelentősen növekedett, ugyanakkor azonban lényegesen kevesebb mérgező anyag keletkezett. Végeredményként egy olyan alumíniumterméket hoztunk létre a cellában, amely lényegesen olcsóbb, mint a bevonat nélküli cellákkal előállított alumínium.

A 2. ábrán látható a találmány egy további példakénti kiviteli alakja, itt is látható a széncella 1 alja, láthatók a szén 2 oldalfalak és látható a 3 acélburkolat, itt is megtalálhatók a 4 áramvezető sínek, amelyek a katódáramot vezetik a cella 1 aljában. A cella 1 alja előégetett 13 szénegységekkel van ellátva, amelynek a teljes külső felülete az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal van ellátva. Ahogyan ez a 2. ábra bal oldali részén látható, ezek a 13 szénegységek esetenként 14 betétekkel vannak ellátva, amelyek öntöttvasból vagy egyéb nehézfémből vannak, és amelyek terhelést képeznek, elősegítve, hogy a 13 szénegységek a 7 elektrolitba lesüllyedjenek, és lesüllyedjenek az alumínium 8 réteghez, és lényegében a cella 1 alján feküdjenek fel. A 2. ábra jobb oldali részén egy olyan helyzet látható, amikor a 13 szénegységek a cella 1 aljához önmagában ismert módon, például reakcióval létrejövő vagy mechanikus kötéssel vannak rögzítve.

Használat során az 5 és 6 anódok úgy vannak felfüggesztve, hogy a sík alsó oldaluk az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonat felső felületével szemben helyezkedjen el. Az ily módon kialakítható anód-katód-távolság viszonylag kicsi, körülbelül 25-35 mm. Az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonat felső sík felülete mint süllyesztett katód működik, amelyről a katódosan keletkező alumíniumfilm folyamatosan van elvezetve az olvadt alumíniumból képezett 8 rétegbe. Az alumínium 8 réteg a szintje a cella 1 alja és az alumíniummal nedvesíthető 9 réteg felső szintje között ingadozhat, ily módon tehát a keletkező alumíniumtermék egyszerűen periodikusan elvezethető, illetőleg kiemelhető.

A 13 szénegységek hagyományos magasságúak, a magasság a működési elrendezés függvénye, pontosabban az 5 és 6 anódokat a hagyományos működéshez szükséges minimális magasság közelében kell tartani és ott rögzíteni, mielőtt a 13 szénegységek illesztése megtörténne. A 13 szénegységek magassága körülbelül 150-300 mm lehet.

Kialakítható az elrendezés úgy is, hogy a 13 szénegységeket felfüggesztjük, és az 5 és 6 anódoktól való távolságot olyan nem villamosán vezető anyag segítségével biztosítjuk, amely az elektrolitnak, például az alumínium-nitridnek vagy nikkel-szuboxidnak vagy alumíniumnak ellenáll akkor, amikor a cella alacsony hőmérsékleten működik. Ezek az illesztőelemek lehetnek távtartók, amelyek a kívánt kis anódtávolságot biztosítják. Ily módon tehát a 13 szénegységek, amelyek a katódot képezik, az 5 és 6 anódokkal együtt távolíthatók el a fürdőből akkor, amikor akár cserére, vagy akár az ellenőrzésre szükség van.

A 2. ábrán bemutatott kiviteli alak egy további változata kialakítható úgy is, hogy az olvadt alumínium 8 réteg egymáshoz illesztett szénelemekből kialakított ágyból van, amely belső terheléssel van összekapcsolva, amelyeknek felülete van azután az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal ellátva. Ezeknek a daraboknak lehet kör alakja, szabályos sokszög alakja vagy gyűrű alakja, és lényegében egy olyan ágyat képeznek, amely megakadályozza az olvadt alumíniumfürdőben a hullámzó mozgást, és ily módon teszi lehetővé az anód-atód-távolság további csökkentését, ahogyan ez az US 4. 552. 630 szabadalmi leírásban is ismertetve van.

A 3. ábrán az 1. ábrán bemutatott vagy új cellákhoz is alkalmazható anód-katód elrendezés egy további kiviteli alakját mutatjuk be. Ennél a példakénti kiviteli alaknál a szénből készült 20 ék alakú elemek a szénből készült cella 1 aljához vannak illesztve, például úgy, hogy a cella 1 aljába olyan részek vannak kiképezve, amelyek egy 23 kötőréteggel vannak borítva, ezt a cella rekonstrukciójánál régi cellák esetében is meg lehet valósítani, és adott esetben a 20 ék alakú elemek még egy belső 24 terheléssel is el vannak látva, ez például lehet öntöttvas, és amely elősegíti, hogy ezek a 20 ék alakú elemek megfelelően helyezkedjenek el a cella 1 alján. A cella 1 aljában 22 mélyedések is kialakíthatók a 20 ék alakú elemek számára.

Előnyösen a 23 kötőréteg, amely a szén 20 ék alakú elemeket a cella 1 aljához köti, többrétegű szuszpenzióból alakítható ki a találmány értelmében. Az így alkal10

HU 218 031 Β mázott szuszpenziónak a legkülső rétege megfelelően tapadós, amikor ráhelyezzük a 20 ék alakú elemeket, majd ezt követően szárítjuk ki. Az előreformázott titándiborid vagy egyéb tűzálló borid a szuszpenzióból kiváló vezetőkötést hoz létre, és a kiszáradt szuszpenzió pedig mint vezető ragasztóanyag működik.

A már előbb említett 20 ék alakú elemek ferde oldalfalakkal alakíthatók ki. Az oldalfalak a függőlegessel változó szöget zárhatnak be egészen 10-45°-ig, és ezek ferde oldalfalak lekerekített 21 felső résznél metszik egymást. A 20 ék alakú elemek egymás mellett vannak elhelyezve, egymástól adott távolságra úgy, hogy biztosítva legyen a cella 1 aljánál az alumínium 8 réteg elhelyezkedése. A cella 1 alja védő alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal látható el szintén a találmány szerinti megoldást alkalmazva. A 21 felső részek egymással párhuzamosak a cella hossza mentén és keresztirányban is, és minden esetben a 7 elektrolit legfelső szintje alatt maradnak néhány centiméterrel.

A 20 ék alakú elemek ferde oldalfalai, és adott esetben a cella 1 alja együttesen borítható be a találmány szerinti alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal. A 9 bevonatok a már előbb említett szuszpenzióból állíthatók elő. A használat során a 9 bevonat a 20 ék alakú elem ferde falai mentén lényegében ferde katódfelületet képez, ahol a katódosan kiváló alumínium folyamatosan folyik le. A 20 ék alakú elemekhez az áramot az ábrán nem szereplő, de az 1. ábrán bemutatott 4 áramvezető síneken keresztül vezetjük be.

A katódot képező 20 ék alakú elemek felett helyezkednek el megfelelően illesztetten a 25 anódok, amelyek lemezpárokból vannak kiképezve, és tetőszerűen fedik le a 20 ék alakú elemeket, és párhuzamosak a 20 ék alakú elemek ferde oldalaival. így viszonylag kis, 15-20 mm anód-katód-távolság valósítható meg. A 25 anódokat képező lemezek csatlakozási pontjainál van az anódáram-bevezetés elhelyezve. A 25 anódlemezek megfelelő bevonattal ellátott, nem fogyó, vagy lényegében nem fogyó villamosán vezető anyagból vannak, amelyek ellenállnak az elektrolitnak, valamint az elektrolízis anódtermékének is, amely alumínium-oxid elektrolízis esetén nem szén 25 anódot alkalmazva, oxigén. A 25 anód lemezei lehetnek fémből, ötvözetből vagy cermetből, amelyek fém-oxid-réteggel és cériumoxid fluoridalapú védőréteggel vannak ellátva, és/vagy az elektrolitban a cérium koncentrációját biztosítják vagy fenntartják. Erre vonatkozóan részletes leírás található az US 4.614.569 számú leírásban.

Egy további kiviteli alak kialakítható úgy, hogy fogyó szén 25 anódokat alkalmazunk, amelyeknek ék alakú alsó része van, amelyek a 20 ék alakú elemek közé nyúlnak. Ezeknek a 25 anódoknak ferde fogyó működő felülete van, amelyek szemben helyezkednek el a katódokat képező 20 ék alakú elemekkel, és a lényegében konstans anód-katód-távolságot a 25 anód fogyásának megfelelően a 25 anód leeresztésével biztosítják.

A prizma alakú katód alkalmazásának több előnye van. Ahogyan erre már a korábbiakban is utaltunk, az állandó alumíniummal nedvesíthető tűzálló felület a katódon megvédi a szenet a különféle hatásoktól, a cella kis anód-katód-távolsággal jó hatásfokkal tud működni, nagyon jó termelékenység valósítható meg a cellafelületre viszonyítva, 1,5-2,5-szer nagyobb ez a hatásfok, mint az ismert cellák esetében.

A találmány szerinti, alumíniummal nedvesíthető tűzálló felület alkalmazható szénnel borított elemek esetében, valamint az alumínium gyártásánál használt egyéb alkatrészek esetében is, különösen pedig azokra az elemekre, amelyek az olvadt alumínium hatásának ki vannak téve, így a különböző terelőelemek, oldalfalak, továbbá minden olyan komponens, amelyek egyéb olvasztortsó-elektrolízis celláknál vannak felhasználva.

A 4. ábrán egy olyan kiviteli alak látható, ahol a 13 szénegységek a cella 1 aljához vannak rögzítve, és ferdére kiképezett 29 felső felületük van, amely az alumíniummal nedvesíthető tűzálló 9 burkolattal borítva. A 4. ábra bal oldali részén a 13 szénegység kissé V alakúra van kiképezve, van egy 27 V alakú felülete, és a V alak szimmetriatengelyében elhelyezkedő központi 28 kivágása, amelyben az alumíniumtermék gyűlik össze. Ez a 28 kivágás adott esetben kissé ferdére is kiképezhető, jobban biztosítva ily módon az olvadt alumíniumnak a 8 rétegbejutását. A 27 V alakú felület fölött vannak elhelyezve az 5 anódok, amelynek alsó felülete szintén V alakúra van kialakítva. Ily módon van biztosítva a konstans anód-katód-távolság.

A 4. ábra jobb oldali részén egy olyan katódként alkalmazott 13 szénegység látható, amely be van borítva az alumíniummal nedvesíthető 9 bevonattal, 29 felső felülete egyik oldal felé lejtősen van kiképezve, és ehhez illeszkedően, tehát ugyanilyen lejtéssel van a fölötte elhelyezkedő 5 anódok alsó felülete is kialakítva. Ez az elrendezés rendkívül jól javítja a gáz elvezetését, összehasonlítva a hagyományos előégetett anódokkal, amelyeknek teljesen sík az alja. A javított gázkiengedés, illetőleg gáztávozás a 7 elektrolit cirkulációját teszi lehetővé, ami pedig lehetővé teszi azt, hogy a cellán keresztül a feszültségesés is csökkenjen.

Az 5. ábrán egy alumínium redukciós cella egy részlete látható, amely nem vezető cellafenékkel és speciális áramvezető elrendezéssel van kialakítva.

A nem vezető cellafenék tartalmaz egy alumíniumoxid 31 tégelyt, amely egy 33 acélburkolatban van elhelyezve, amely külső áramvezetősín-elrendezéshez van csatlakoztatva. A 33 acélburkolat aljánál adott távolságokra 34 acélelemek vannak elhelyezve, amelyek a 31 tégely tetejének a közelében végződnek. Minden egyes 34 acélelem egy szénből készült 35 sapkával van lezárva. Ahogyan ez az 1. ábrán is látható, a 35 sapka egy olyan hengeres elem, amelyben 36 központi nyílás van, amelynek vége 37 bevonattal le van zárva. A 34 acélelemek a 36 központi nyílásokba lazán illeszkednek, és oly módon vannak ebben rögzítve, hogy öntöttvasat vagy egyéb vezető fémet öntenek köréjük önmagában ismert csömöszölési eljárással, vagy adott esetben valamilyen illesztőerővel. Általánosságban ezek a 35 sapkák a 34 acélelemekre vannak rögzítve, amelyek azután adott esetben a 33 acélburkolat aljához vannak hegesztve. Annak érdekében, hogy a megfelelő hőtágulás biztosítható legyen, a 34 acélelemek tetejénél egy vagy több 38 lég11

HU 218 031 Β rés van kiképezve. A 35 sapka kör alakú 37 bevonata süllyesztve helyezkedik el a 31 tégely 39 felső rétegében. Ez a 39 felső réteg lehet tömörített, henger alakú alumínium-oxid, amely egy alumíniummal nedvesíthető tűzálló anyagból készült 40 réteggel van borítva. A 37 bevonat, valamint a 35 sapka oldalai szintén alumíniummal nedvesíthető, tűzálló 41 réteggel vannak bevonva, például titán-diborid-réteggel, amely a találmány szerint készült. A legnagyobb előny akkor érhető el, ha mind a 40 réteg, mind pedig a 35 sapka a találmány szerinti tűzálló anyaggal, például titán-diboriddal van borítva. A 40 és 41 rétegeket külön-külön is fel lehet vinni vagy együttesen úgy, hogy a szuszpenziót a cella teljes 1 alja mentén végigvisszük, beleértve a szénből készült 37 bevonatot is. A találmány szerinti megoldással azonban azt is meg lehet valósítani, hogy csak a szénből készült felületeket vonjuk be. Ha a 41 réteget úgy alakítjuk ki, hogy a 35 sapka oldalainál lefelé is végigvisszük, úgy maximális védelmet lehet biztosítani az alumínium vagy a kriolit rombolóhatásával szemben.

Az alumíniummal nedvesíthető 40 és 41 rétegek katódosan olvadt 42 alumíniumréteg, amely 1 -4 cm vastag lehet az alumíniummal nedvesíthető cella alsó felületén. A katódos 42 alumíniumréteg fölött helyezkedik el a 43 elektrolit, amely általában olvadt kriolit, amely benne oldott alumínium-oxidot tartalmaz, az alumínium-oxid-tartalom jóval a telítési határérték alatt van, és ebbe a 43 elektrolitba merülnek a 44 anódok. A működés során a 43 elektrolit egészen 900 °C-ig melegíthető, adott esetben a hőmérséklet azonban ez alatt van.

A 44 anódok a hagyományos módon készített előégetett szénelemek lehetnek, különösen akkor, ha merítéses fürdőről van szó, vagy oxigénkibocsátó nem fogyó anódok. Ez utóbbi kis mélységű vagy mélyebb fürdőnél is használható. A nem fogyó anódok villamosán vezető réteggel vannak borítva, ez a réteg egy védőréteg, amely cérium-oxid fluoridalapú. Ilyen védőrétegek úgy alakíthatók ki, hogy a 43 elektrolitban a cérium koncentrációját előre beállítjuk. Erre vonatkozóan az US 4.614.569 számú leírás ad kitanítást.

Természetesen az alumíniummal töltött tégely különböző cellakialakítással alkalmazható, kialakítható a cella úgy is, hogy szilárd alumínium alaplemeze van, amelyre a 34 acélelemek vannak megfelelően hőmérsékletálló alumíniumötvözetből hegesztve. Ezeknek az ötvözeteknek az olvadáspontja 1000 °C fölött kell legyen, de minden esetben a cella működési hőmérséklete fölött.

A henger alakú 35 sapka helyett egy védő szénelem helyezhető el, amely lehet egy rúd vagy egy rúdszerű elem, amelynek sík felső felülete van, amely a cellán keresztül nyúlik ki. A 38 réseket, illetőleg nyílásokat úgy kell kialakítani, hogy egy-egy 34 acélelem rúd a lemezszerű áramvezető sínnel összekapcsolható legyen. Adott esetben a szénelemben füratokat is ki lehet alakítani az áramvezető sínek bevezetéseinek az elhelyezésére, itt mindenkor az adott elrendezéshez illeszkedő alakzatot kell választani. Kialakíthatók szükség esetén nagy szén áramvezető sínek vagy áramvezető rudak is, amelyek az áramvezető acélsínek belsejében helyezkednek el.

Az áramvezető sínek adott esetben teljes egészében készülhetnek szénhengerekből vagy -rudakból, amelyek szénegységekből vannak ágazva, és amelyekből a katódvezetékek a külső negatív áramvezető sínhez vannak csatlakoztatva.

Az alumíniummal nedvesíthető, tűzálló anyagból készült 9 bevonat különféle cellaelrendezéseknél és különféle cellaelemekhez használható, például olyan süllyesztett katódokhoz, amelynek függőleges felületei, vagy a függőlegessel kis szöget bezáró ferde felületei vannak. A találmányt a továbbiakban példák segítségével mutatjuk be.

1. példa

A szuszpenziót 99,5% tisztaságú, -325 szitaméretű (kisebb, mint 42 pm), 10 g TiB₂, 25 ml kolloid állapotú alumínium-oxidban diszpergáltuk, amely kolloid alumínium-oxid körülbelül 20 tömeg% szilárd alumíniumoxidot tartalmazott. A bevonatot 150±50-500±50 pm vastagságúra készítettük, és a szénegységek külső oldalára helyeztük. Minden egyes szuszpenzióréteget néhány percig szárítottuk, mielőtt a következő réteget felvittük, a legutolsó réteg felvitele után pedig a végső szárítást 100-150 °C közötti hőmérsékletű kemencében égetéssel végeztük, körülbelül 1 órán át.

A fent ismertetett eljárást megismételtük úgy, hogy a szuszpenzióban a TiB₂ mennyiségét 5-15 grammig változtattuk, az alumínium-oxid kolloid oldatot pedig 10 ml és 40 ml között változtattuk. A bevonatot az előzőhöz hasonlóan vittük fel. A szárítást levegőn végeztük 10-60 perc közötti időtartamig, attól függően, hogy a szuszpenziónak milyen volt az oldószere és milyen volt a réteg vastagsága. Minden egyes esetben megfelelően tapadó TiB₂-réteget kaptunk.

2. példa

Antracitalapú katódmintadarabot vontunk be az alábbi TiB₂-t tartalmazó réteggel.

A réteg 99,5%-os tisztaságú, előformázott TiB₂-részecskéket tartalmazott, amelyet az antracitkatód-mintadarabra három rétegben vittünk fel oly módon, hogy olyan 25 g TiB₂-t, -325 szitaméretben (kisebb, mint 42 pm) vittünk be 10 ml kolloid oldatba, amely körülbelül 20% kolloid alumínium-oxidot tartalmazott. Minden egyes rétegvastagságot 150±50 pm-re készítettünk, és minden réteget 10 percig szárítottuk, mielőtt a következő réteget felvittük volna. A mintadarabot végül levegőn körülbelül 120 °C-os 4-1 óra közötti időtartamig szárítottuk.

Az eredményként kapott bevonattal ellátott antracitkatód-mintadarab igen jó tapadó TiB₂-bevonattal rendelkezett. A mikroszkóppal végzett analízis a kivágott mintadarabokból azt mutatta, hogy a TiB₂-réteg kiválóan tapad az antracitréteghez.

Amikor a mintadarabot katódként laboratóriumi körülmények között végzett alumíniumgyártó cellában alkalmaztuk, a mintadarab igen jó nedvesedést mutatott az olvadt alumíniummal, és semmiféle sérülés vagy romboló hatás nem volt megfigyelhető. Az alumínium a bevonatba behatolt, és ott is maradt.

Claims (58)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Szuszpenzió kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével gyártott alumínium készítésénél használatos cellák széntartalmú elemeinek tűzálló boriddal történő bevonásához, és ezen elemeknek az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseinek, úgymint a különböző elemeknek, ionoknak és vegyületeknek a rombolóhatásától történő védelmére, azzal jellemezve, hogy a szuszpenzió előformázott kolloid hordozóanyagban lévő tűzálló boridot tartalmaz, ahol a kolloid alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetátmonoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a kolloid oldat kolloid prekurzorokból és vegyszerekből áll, amelyek például kloridok, szulfátok, nitrátok, klorátok, perklorátok vagy szerves fémvegyület, például alkoxid, formiátok, alumínium-acetát, szilícium-, ittrium-, cérium-, tórium-, cirkónium-, magnézium- és lítiumsók közül legalább egy sóoldata.
3. 3. A 2. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a kolloid prekurzor vagy a kolloid reagens kelátképző szert, például acetil-acetont vagy etil-acetoacetátot tartalmaz.
4. 4. A 2. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a szervesfémvegyület-oldatok lényegében fém-alkoxidok, amelyet M(OR)_Z általános képlettel írhatunk le, ahol M a fémet vagy komplex kationt, R egy alkilláncot jelent, z pedig egy egész szám, célszerűen 1-12 között.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék titán, króm, vanádium, cirkónium, hafnium, nióbium, tantál, molibdén és cérium boridjaiból vannak kiválasztva.
6. 6. Az 5. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskéket titán-diborid képezi.
7. 7. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék szemcsemérete 100 pm alatt van.
8. 8. A 7. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az optimális csomagoláshoz az előformázott, tűzálló boridrészecskék különböző szemcseméretűek, és a részecskék mérete közötti arány legalább 2:1.
9. 9. A 8. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék méretaránya 3:1-10:1.
10. 10. A 8. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy az előformázott fém boridrészecskék szemcsemérete 3 pm és 50 pm közötti tartományban van.
11. 11. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy 10 ml kolloid oldatként 5 -100 g előformázott, tűzálló boridrészecskét tartalmaz.
12. 12. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a kolloid oldat szárazkolloidanyag-tartalma a kolloid és a kolloid hordozó együttes tömegéhez viszonyítva egészen 50 tömeg%-ig teqedhet, előnyösen azonban 10-20 tömeg%.
13. 13. Az 1. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a kolloid olyan folyadékban van, amely legalább egy lítium-, alumínium-, cérium-, nátrium- és káliumvegyületekből kiválasztott vegyületet tartalmaz.
14. 14. A 13. igénypont szerinti szuszpenzió, azzal jellemezve, hogy a folyadék legalább egy lítiumvegyületet és legalább egy alumíniumvegyületet tartalmaz.
15. 15. Széntartalmú cellaelem, amely kriolitalapú olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállított alumíniumgyártó cellákban alkalmazható, azzal jellemezve, hogy az elemek az elektrolit folyadékés/vagy gázkomponenseitől való védelemre, amely elemek ionok vagy vegyületek lehetnek, előformázott, tűzálló keményfém boridrészecskékből álló bevonattal (9, 10, 11) vannak ellátva, amely szárított kolloid oldat, és amely az adott cellaelemre kolloid hordozóanyagban lévő előformázott, tűzálló keményfém boridrészecskéket tartalmazó szuszpenzióként van felvive, továbbá a kolloid oldat alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittriumoxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.
16. 16. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a kolloid szuszpenzió kolloid prekurzorokból és vegyszerekből áll, amelyek például kloridok, szulfátok, nitrátok, klorátok, perklorátok vagy szerves fémvegyület, például alkoxid, formiát, alumínium-acetát, szilícium-, ittrium-, cérium-, tórium-, cirkónium-, magnézium- és lítiumsók közül legalább egy sóoldata.
17. 17. A 16. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a kolloid prekurzor vagy a kolloid reagens kelátképző szert, például acetil-acetont vagy etil-acetoacetátot tartalmaz.
18. 18. A 17. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a szervesfémvegyület-oldatok lényegében fém-alkoxidok, amelyet M(OR)_Z általános képlettel írhatunk le, ahol M a fémet vagy komplex kationt, R egy alkilláncot jelent, z pedig egy egész szám, célszerűen 1-12 között.
19. 19. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az előformázott tűzálló boridrészecskék titán, króm, vanádium, cirkónium, hafnium, nióbium, tantál, molibdén és cérium boridjaiból vannak kiválasztva.
20. 20. A 19. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskéket titán-diborid képezi.
21. 21. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék szemcsemérete 100 pm alatt van.
22. 22. A 21. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az optimális csomagoláshoz az előformázott tűzálló boridrészecskék különböző szemcseméretűek, és a részecskék közötti méretarány legalább 2:1.
23. 23. A 22. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék közötti méretarány 3:1-10:1.

    HU 218 031 Β
24. 24. A 22. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy az előformázott fém boridrészecskék szemcsemérete 3 pm és 50 pm közötti tartományban van.
25. 25. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a szénelem lítium-, alumínium-, cérium-, nátrium-, káliumvegyület-csoport legalább egyikéből kiválasztott anyaggal van impregnálva.
26. 26. A 25. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a folyadék legalább egy lítiumvegyületet és legalább egy alumíniumvegyületet tartalmaz.
27. 27. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy széntartalmú anyagból készült elem petróleumkoksz, metallurgiai koksz, antracit, grafit, amorf szén, fulerén, kis sűrűségű szén vagy ezek keverékéből van kiválasztva.
28. 28. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a cellaelem használat során olvadt kriolit és/vagy olvadt alumíniummal érintkezőén van elhelyezve.
29. 29. A 28. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy kátédként vagy pedig katódoscellafenékdarab elemeként van kiképezve.
30. 30. A 28. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a tűzálló boridbevonat a cellában történő felhasználás előtt aluminizálva van.
31. 31. A 15. igénypont szerinti cellaelem, azzal jellemezve, hogy a cella működése során keletkező korróziós és/vagy pedig oxidálógáz hatásától védendő tűzálló boridbevonattal van ellátva.
32. 32. Eljárás tűzálló boridbevonat felvitelére széntartalmú alkatrészekre, amely alkatrészek kriolitalapú, olvadt elektrolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisével előállított alumínium gyártása során kerülnek felhasználásra, és az alkatrészeket az elektrolit folyékony és/vagy gázkomponenseitől védjük, amelyek elemek, ionok vagy vegyületek lehetnek, azzal jellemezve, hogy az alkatrész felületére előformázott, tűzálló boridot kolloid hordozóanyagban tartalmazó iszapot viszünk fel, ahol a kolloid alumínium-oxid, szilicium-oxid, ittriumoxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet tartalmaz, vagy ezek keverékét tartalmazza, majd az egészet megszárítjuk.
33. 33. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szárítás után az adott alkatrészt a kemencébe való beépítése előtt vagy az után hőkezelésnek vetjük alá.
34. 34. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szuszpenziót több rétegben visszük fel, mindegyik réteget legalább részben, célszerűen levegőn vagy bármilyen egyéb hőhatással megszárítjuk, mielőtt a következő réteget felvisszük, és a végső réteg felvitele után a végső szárítást hőkezeléssel végezzük.
35. 35. A 34. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kolloid oldatot kolloid prekurzorokból és vegyszerekből hozzuk létre, amelyek például kloridok, szulfátok, nitrátok, klorátok, perklorátok vagy szerves fémvegyület, például alkoxid-, formiát-, alumínium-acetát-, szilícium-, ittrium-, cérium-, tórium-, cirkónium-, magnézium- és lítiumsók közül legalább egynek a sóoldata.
36. 36. A 35. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kolloid prekurzor vagy a kolloid reagens kelátképző szert, például acetil-acetont vagy etil-acetoacetátot tartalmaz.
37. 37. A 35. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szervesfémvegyület-oldatok lényegében fém-alkoxidok, amelyet M(OR)_Z általános képlettel írhatunk le, ahol M a fémet vagy komplex kationt, R egy alkilláncot jelent, z pedig egy egész szám, célszerűen 1-12 között.
38. 38. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskéket titán, króm, vanádium, cirkónium, hafnium, nióbium, tantál. molibdén és cérium boridjaiból választjuk ki.
39. 39. A 38. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskéket titándiborid képezi.
40. 40. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridrészecskék szemcsemérete 100 pm alatt van.
41. 41. A 40. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve hogy az optimális csomagoláshoz az előformázott tűzálló boridrészecskék szemcsemérete különböző, és a részecskék méretaránya legalább 2:1.
42. 42. A 41. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a részecskék méretaránya az előformázott, tűzálló boridrészecskéknél 3:1-10:1.
43. 43. A 41. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előformázott, fém boridrészecskék szemcsemérete 3 pm és 50 pm közötti tartományban van.
44. 44. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 10 ml kolloid oldatként 5-100 g előformázott, tűzálló boridrészecskét tartalmaz.
45. 45. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kolloid oldat szárazkolloidanyag-tartalma a kolloid és a kolloid hordozó együttes tömegéhez viszonyítva egészen 50 tömeg%-ig terjedhet, előnyösen azonban 10-20 tömeg%.
46. 46. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kolloid olyan folyadékban van, amely legalább egy lítium-, alumínium-, cérium-, nátrium- és káliumvegyületekből kiválasztott vegyületet tartalmaz.
47. 47. A 46. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a folyadék legalább egy lítiumvegyületet és legalább egy alumíniumvegyületet tartalmaz.
48. 48. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szárítást követően a tűzálló keményfém boridréteget olvadt alumíniummal, előnyösen folyató adalékanyag jelenlétében aluminizáljuk.
49. 49. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előformázott, tűzálló boridréteget a bevonandó elem szuszpenzióba mártásával, festéssel, szórással vagy ezek kombinációjával egy vagy több rétegben visszük fel.
50. 50. A 32. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a bevonandó elemet a szuszpenzióval történő kezelés előtt és/vagy után reagensekkel és prekurzo14

    HU 218 031 Β rokkal, zselével és/vagy kolloidokkal festjük, szórjuk, ebbe mártjuk vagy helyezzük.
51. 51. Eljárás olvadt só elektrolíziséhez alkalmazott elektrokémiai cella széntartalmú alkatrészeinek védelmére, amely alkatrészek korróziós közegnek és/vagy az olvadtsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízis termékei hatásának vannak kitéve a működés során, azzal jellemezve, hogy az alkatrészekre olyan szuszpenzióból viszünk fel védőbevonatot, amely előformázott tűzálló boridrészecskéket tartalmaz kolloid hordozóanyagban, majd a bevonat felvitelét követően használat előtt vagy az alatt az alkatrészeket hőkezeljük, a hőkezelést olyan hőmérsékleten végezzük, hogy a boridok megszilárdulnak, és tapadó védőbevonattá alakulnak.
52. 52. Széntartalmú elem korrozív környezetben történő felhasználásra, amely korrozív környezet lehet oxidálóközeg, korrozív vegyületeket tartalmazó folyadék vagy gáz, viszonylag magas hőmérsékleten, azzal jellemezve, hogy az elem ellenállását az oxidáló- és korróziós közegben növelő, és ezen túlmenően a villamos vezetőképességet és/vagy az elektrokémiai aktivitást növelő védőbevonattal (9, 10,11) van ellátva, és a védőbevonat (9, 10, 11) előformázott, tűzálló boridanyag és kolloid hordozószuszpenziója, amely hordozó alumíniumoxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tóriumoxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.
53. 53. Olvasztott só elektrolízisénél használt elektrokémiaicella-elem, amely használat közben korrozív közegnek vagy az olvasztottsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának van kitéve, azzal jellemezve, hogy az alkatrész védőbevonattal (9, 10, 11) van ellátva, amely az oxidáló- vagy korróziós közeggel szembeni ellenálló képességet, a villamos vezetőképességet és/vagy az elektrokémiai aktivitását növeli, és a védőbevonatot kolloid hordozóban lévő előformázott, tűzálló boridrészecskék szuszpenziója képezi, ahol a kolloid hordozó alumínium-oxid, szilícium-oxid, ittrium-oxid, cérium-oxid, tórium-oxid, cirkónium-oxid, magnézium-oxid, lítium-oxid, valamint cérium-acetát-monoalumínium-foszfát közül legalább egyet vagy ezek keverékét tartalmazza.
54. 54. Eljárás széntartalmú, olvasztott só elektrolízisénél alkalmazott elektrokémiai cellák alkatrészeinek oxidáló, és korróziós hatással szembeni ellenállóságának a növelésére, amikor is az adott alkatrészek használat közben korróziós közegnek vagy az olvasztottsó-elektrolitnak és/vagy az elektrolízistermék hatásának vannak kitéve, azzal jellemezve, hogy az eljárás során az adott alkatrészt olyan védőbevonattal látjuk el, amely kolloid hordozó és előformázott boridrészecskék szuszpenziója, majd a szuszpenzió felvitelét követően használat előtt vagy használat alatt olyan hőmérsékletre melegítjük az elemet, amelynek hatására az előformázott boridrészecskék megszilárdulnak, és tapadó védőréteget képeznek.
55. 55. Alumíniumgyártócella-alkatrész, amely a cella működése során olvadt kriolit vagy alumínium hatásának van kitéve, azzal jellemezve, hogy 15. igénypont szerinti széntartalmú anyagból képezett réteget és tűzálló boridbevonatot tartalmaz.
56. 56. Az 54. igénypont szerinti alumíniumgyártó cella, azzal jellemezve, hogy a védőbevonattal (9, 10, 11) ellátott alkatrész a katód vagy a katódos cellaalj (1) egy részét képezi.
57. 57. Eljárás alumínium gyártására az 55. igénypont szerinti cella alkalmazásával, azzal jellemezve, hogy az alumíniumterméket az alkatrészekre felvitt tűzálló boridréteggel érintkeztetjük.
58. 58. Alumíniumgyártó cella, amely legalább egy olyan alkatrészt tartalmaz, amely a cella működése során keletkező vagy a cellában lévő korrodáló- vagy oxidálógáz hatásának van kitéve, azzal jellemezve, hogy az ilyen elem(ek) a 16. igénypont szerinti széntartalmú réteget és tűzálló boridbevonatot tartalmaz(nak).