NO123066B - - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og apparat til fremstilling av aluminium.Den foreliggende oppfinnelse går ut på en kontinuerlig fremgangsmåte til fremstilling av aluminium med høy renhet ved elektrolytisk dekomponering av aluminiumoksyd og et apparat til utførelse av fremgangsmåten.En fremgangsmåte til fremstilling av metallisk aluminium som for tiden anvendes industrielt, omfatter satsvis drift av en rekke elektrolyseceller som inneholder aluminiumoksyd oppløst i et smeltet bad av naturlig eller syntetisk kryolitt (et dobbelt fluorid av natrium og aluminium med formelen NaAlPg) og eventuelt fluoridene av andre metaller som f.eks. kalsium, kalium, natrium og litium. Denne smeltede blanding utsettes for elektrolyse ved at en likestrøm føres gjennom karbonelektroder som er neddykket i elektrolytten og tjener som anoder,

Description

og celleforingen som tjener som katode. Elektrolysen fører til dekomponering av det oppløste aluminiumoksyd for å danne smeltet aluminium ved katoden og oksygen ved karbonanodene. Det frigjorte oksygen rea-

gerer med de varme karbonanoder for å danne karbondioksyd og karbonoksyd som føres bort fra cellen. Anodene blir etterhvert forbrukt og skiftet ut. Det smeltede aluminium samler seg ved bunnen av cellen og tappes av med mellomrom. Til en viss grad tjener selve den smeltede sump som katode etterhvert som den dannes.

Den elektrolytiske dekomponering utføres vanligvis ved temperaturer på rundt 900 - 1000°C, og det er karakteristisk at et parti av kryolitten stivner som en skorpe over det smeltede bad. Etterhvert som aluminiumoksyd forbrukes ved reaksjonen, må der tilsettes ytter-

ligere oksyd. Dette utføres vanligvis ved at aluminiumoksyd fordeles på toppen av skorpen, hvoretter denne brytes opp etter behov. De spe-sielle egenskaper ved denne driftstype krever imidlertid hyppige til-setninger av aluminiumoksyd til hver celle, noe som medfører høye arbeidskostnader. Etterhvert som både aluminiumoksyd og anodene forbrukes, er f.eks. den elektriske motstand av systemet tilbøyelig til å

øke vesentlig ved vanlig drift. Da aluminiumproduksjonen er en funksjon av strømmmen, vil en reduksjon av strømmen til gjengjeld for økningen i motstand i tilsvarende grad redusere produktmengden. Det er derfor ønskelig å arbeide ved konstant strømstyrke. Med økende motstand vil imidlertid en konstant strømstyrke gi en rask spenningsøkning som igjen vil medføre overheting av cellen og unormalt hurtig anordeforbruk. Det er derfor nødvendig å holde aluminiumkonsentrasjonen i badet så konstant som mulig for å unngå følgene av økninger av motstanden. Dette krever naturligvis den hyppige tilsetning' av aluminiumoksyd som er nevnt ovenfor. Måten aluminiumoksydet tilsettes på medfører også fare for kom-plikasjoner, idet det tar flere minutter å oppløse aluminiumoksydet når det føres inn i og gjennom det smeltede bad. Ufullstendig oppløsning kan føre til at aluminiumoksydet avleirer seg på eller faller gjennom del smeltede aluminium og således forurenser produktet. For å motvirke denne tilbøyelighet må aluminiumoksyd tilsettes ofte, vanligvis med mellomrom på bare noen få timer.

Den industrielle fremgangsmåte til fremstilling av aluminium som for tiden anvendes, krever således at der benyttes et stort antall individuelle elektrolyseceller som alle er utsatt for individuelle variasjoner, og som derfor funksjonerer uavhengig av hverandre. Hver av cellene har forskjellige operasjonskarakteristika og må passes hver for seg av betjeningspersonalet. Operasjoner som f.eks. anodejustering, utskiftning av anoder, tilførsel av anodemasse, bortføring av produktet, beskikning av aluminiumoksyd og elektrolyttsaltene og lignende, må f.eks. utføres hver for seg og vanligvis sporadisk etterhvert som det er nød-vendig på tidspunkter som ikke kan forutsis. Den ujevne karakter av driften fører derfor til høye arbeidskostnader og stort vedlikehold.

I overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse blir disse ulemper og uønskede trekk ved den foreliggende praksis stort sett eliminert eller i det minste vesentlig redusert ved en kontinuerlig fremgangsmåte hvor et antall celler drives kontinuerlig slik det er definert i kravene, og slik det vil bli nærmere beskrevet i det etter-følgende.

Oppfinnelsen vil nå bli forklart nærmere under henvisning

til tegningen.

Fig. 1 er et strømningsskjema som viser fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, idet de forskjellige prosesskomponenter er vist mer eller mindre skjematisk, og fig. 2 er et vertikalsnitt gjennom en av elektrolysecellene og viser dennes konstruksjonsdetaljer.

På fig. 1 er det vist at aluminiumoksyd og andre materialer som tilsettes for å komplettere eller innstille elektrolytten, f.eks. naturlig eller syntetisk kryolitt, tilføres en transportør 14 ved 10

og 11 fra beholdere 12, resp. 13, og føres av transportøren til en smeltecelle 15, hvor fluoridene smeltes og aluminiumoksydet oppløses i disse. Resirkulert elektrolyttoppløsning fra elektrolysecellene blir, slik det vil bli forklart senere, kombinert med smeiten i smeltecellen for å utgjøre en del av denne smelte. Smeltecellen 15 er forsont med på avstand fra hinannen stående elektroder 16 og 17 som tilføres strøm fra en vekselstrømkilde 16a for å skaffe elektriske oppvarmnings-organer til å varme opp elektrolytten og holde den i smeltet tilstand. På avstand fra hinannen stående karbonelektroder 18 og 19 rager også inn i smeltebadet og tilføres strøm fra en lavspent likestrømskilde (ikke vist) med en .spenning på opptil omtrent 2 volt for å rense smeiten for oksydforurensninger med et lavere dekomponeringspotensial enn aluminiumoksyd.

Smeltecellen 15 mottar gjennom en ledning 20 en sirkulerende strøm av utarmet elektrolyttsmelte fra en flerhet av elektrolyseceller E-^ - Ex samt friskt aluminiumoksyd og andre elektrolyttmaterialer fra transportøren 14 som forklart ovenfor. Den elektrolytiske prosess som finner sted i cellene E^ - Ex, omdanner det oppløste aluminiumoksyd i det smeltede kryolittbad til metallisk aluminium og oksygen og reduserer på denne måte aluminiumoksydinnholdet i smeiten. Den således ut-armede smelte føres til smeltecellen 15 slik det vil bli forklart senere, og blir her anriket.med aluminiumoksyd og elektrolyttsalter etter behov fra beholderne 12 og 13. Disse materialer tilsettes via transportøren 14 i regulerte mengder og i en slik grad at det ønskede aluminium-oksydinnhold i elektrolyttbadet vedlikeholdes. Egnede nivåer for aluminiumoksyd ligger i en størrelsesorden fra 2-6 vektprosent regnet på vekten av hele smeiten. Vanlige reguleringsorganer i styrekretsen for vekselstrømoppvarmningen anvendes for å regulere den tilførte mengde av aluminiumoksyd og temperaturen av den resirkulerte elektrolyttstrøm.

Den med aluminiumoksyd kompletterte elektrolytt fra smeltecellen 15 føres - f.eks. ved pumping ved hjelp av en pumpe 21a - med regulert temperatur og sammensetning gjennom en ledning 21 .til en lukket, varmeisolert og elektrisk isolert, skrånende fordelingsrenne eller -ledning 23 som er anbragt langs og over elektrolysecellene E1 - E . Elektrolytt føres inn i disse celler gjennom en rekke ledninger P1 - Px som strekker seg ned fra fordelingsrennen 23 til et sted under overflaten av den smeltede elektrolytt i elektrolysecellene E, -L - E^. Der kan anvendes enten kontinuerlig eller intermittent mating, men det foretrekkes å anvende intermittent mating under anvendelse av små mengder med små mellomrom for å bidra til å unngå elektrisk kortslutning mellom cellene.

Mens elektrolytt tilføres under overflaten som beskrevet ovenfor, blir elektrolyttprosessen utført i cellene ved at anodene og katodene (ikke vist på fig. 1) er tilsluttet eri egnet likestrømskilde. Innføring av ny elektrolytt fortrenger delvis utarmet elektrolytt som strømmer over gjennom overløpsledninger.0^ - 0x som fører fra hver celle til en samlerenne eller samleledning 22. Rennen 22 skråner i motsatt retning av fordelingsrennen 23; den er varmeisolert og elektrisk isolert og samler alt overløpet fra cellene for å føre dette via en ledning 20 inn i smeltecellen 153 hvor det kompletteres som beskrevet ovenfor. Etter valg kan der mellom rennene 22 og 23 være anordnet en forbindelse 26 for overskytende smelte fra smeltecellen 15 i tillegg til hva som kreves til oppfylling av elektrolysecellene. Elektrolysen reduserer aluminiumoksydet til aluminium, som samler seg som en smeltet sump i bunnen av hver celle. Som følge av at aluminiumet har høyere spesifik vekt enn elektrolyttoppløsningen ved driftstemperaturen, vil det synke til bunnen av cellen, og da dets smeltepunkt (ca. 660°C) er lavere enn cellens driftstemperatur, samler det seg som en væske. Det smeltede aluminium tappes periodisk av fra cellene gjennom produkt-ledninger P. -L - Px inn i en samleledning 24, hvorfra det føres til lagring, barrestøping, elektrolytisk raffinering eller andre anvendelser etter ønske. Karbondioksyd- og karbonmonoksydgasser som fremstilles som følge av karbonanodenes samvirkning med utviklet oksygen, føres gjennom en hette eller andre bortledningsorganer som på tegningen er representert av ledninger G^ - G^ sorr. strekker seg fra anodeåpningene

i hver celle (ikke vist) til en samleledning 25, for deretter å føres

bort som avfall eller til ytterligere bearbeidning etter valg.

På fig. 2 er der vist en elektrolysecelle En som er repre-sentativ for de ifølge oppfinnelsen anvendte elektrolyseceller. Cellen omfatter en ytre mantel 30 som passende består av ekstra kraftig materi-ale som f.eks. stål eller jern, og en indre foring 31 av karbon. Karbonforingen tjener opprinnelig som katode ved likestrømsaktivering

av en plate 32. Ledningen F^ som kommer fra fordelingsrennen 23, rager ned i det smeltede elektrolyttbad 37 på et sted under den stivnede elektrolyttskorpe 37a. Ledningen 01 fører fra en overløpsåpning 38 som er plassert nedenfor den stivnede skorpe 37a, og danner organer til å motta fortrengt elektrolytt son presses ut ved innføring av ny elektrolytt fra ledningen F , og føre den fortrengte elektrolytt tilbake til smeltecellen 15 via samlerennen 22.

Cellen E, er forsynt med et elektrisk isolerende og varmeisolerende deksel 33 med a-nodeåpninger som karbonanoder 34 strekker seg gjennom. Dekselet 33 er også forsynt med forskjellige ventilasjons-åpninger (ikke vist) for å tillate bortføring av de gassformede de-komposisjonsprodukter, som deretter føres gjennom egnede bortførings-organer (G.^ - Gx på fig. 1).

En produkttappeåpning 36 som er tildannet i cellen E^, strekker seg gjennom mantelen 30 og karbonforingen 31 til det indre hulrom av céllen E^ for å danne et avtapningsorgan for smeltet aluminium. Som antydet ovenfor vil smeltet aluminium samle seg på

bunnen av cellen som følge av den katodiske karakter av karbonforingen 31, og etterhvert som aluminiumet øker i volum , danner det selv katoden. For å redusere elektriske tap i systemet foretrekkes det delvis å fjerne sumpen gjennom åpningen 36 med mellomrom. En varmeisolerende og elektrisk isolerende tetning (ikke vist) er anordnet i ledningen P1 som står i forbindelse med åpningen 36, for å tillate avbrudd av aluminium-strømmen. Anodene 34 er fortrinnsvis innstillbart montert på en strøm-skinne (ikke vist), slik at de•kan senkes ned i badet etter ønske.

Etterhvert som det smeltede elektrolyttbad 37 elektrolyseres, forandres dets sammensetning, som holdes innen visse grenser ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Hovedbestanddelen i badet er smeltet kryolitt, enten naturlig eller syntetisk, som tjener som oppløsningsmiddel for aluminiumoksydet og har et smeltepunkt på ca. 1000°C. Badet inneholder fortrinnsvis visse mengder åv andre fluorider som f. eks. kalsium-, natrium, kalium- eller litiumf luorid. Andre

badsammensetninger kan anvendes under forutsetning av at egenvekten av det smeltede bad' er mindre enn egenvekten av smeltet aluminium. Den tilførte mengde aluminiumoksyd ligger passende mellom 2 og 6 %.

Effektiv elektrolyse av slike bad finner sted ved temperaturer på mellom 900 og 1000°C. Selve oppløsningsmiddelet i badet blir ikke vesentlig dekomponert ved elektrolysen, men over lengre tidsperioder

blir det ønskelig eller nødvendig å tilsette ytterligere salter.

Anrikning kan utføres ved passende tilførsel av materialer fra beholderne 12 og 13 (fig. 1) til smeltecellen 15.

Det er et trekk ved oppfinnelsen at bruk av den her beskrevne fremgangsmåte i forbindelse med en celle av en bestemt størrelse i vesentlig grad reduserer ujevnheten og hyppigheten av arbeidskrevende oppgaver som f.eks. anodeinnstilling, brytning.av den stivnede elektrolyttskorpe og lignende, slik at det blir mulig å anvende økt strømstyrke pr. celle pr. tidsenhet i forhold til hva som vanligvis benyttes ved tidligere kjente fremgangsmåter.

Da fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er både en elektrisk fremgangsmåte og en varmefremgangsmåte, vil det forstås av fagfolk at de forskjellige ledninger, renner, rør, beholdere og lignende etter behov bør være isolert både termisk og elektrisk. Dessuten kan hjelpeopp-varmningsorganer være anordnet der hvor varmeisolasjonen er utilstrekke-lig eller der hvor det av andre grunner er ønskelig.

Der er således skaffet en fremgangsmåte og et apparat til elektrolytisk fremstilling av metallisk aluminium i en serie elektrolyseceller fra en kontinuerlig sirkulerende smelte. Ved anvendelse av et slikt system er det mulig å oppnå den fordel at alle celler arbeider med hovedsakelig den samme elektrolyttsammensetning under vesentlig samme betingelser. Videre blir det mulig å eliminere ventetid for opp-nåelse av oppløsning av aluminiumoksydet i elektrolytten under elektro-lysebetingelsene og redusere drifts- og arbeidskostnadene som følge av den jevne drift som fremgangsmåten tillater.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av metallisk aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et smeltet bad som omfatter aluminiumfluorid og natriumfluorid, og som er lettere enn det smeltede aluminium, hvor aluminiumoksyd og naturlig eller syntetisk kryolitt og eventuelt andre fluorider gradvis tilføres en smeltecelle, nedsmeltes i denne og deretter føres til elektrolyseceller, karakterisert ved at smeiten i smeltecellen blandes med resirkulert aluminiumoksyd-fattig elektrolytt fra elektrolysecellene til en blanding som innstilles på en tetthet som er mindre enn tettheten av smeltet aluminium, at blandingen mates kontinuerlig eller intermittent inn i en fordelingsrenne hvorfra den føres inn i hver celle i elektrolysecellerekken ved hjelp av ledninger som er forbundet med fordelingsrennen, idet den smeltede elektrolytt holdes på et hovedsakelig konstant nivå i hver celle ved hjelp av overløp, at utarmet elektrolytt føres ut fra hver celle som overløp til en samleledning, at innholdet av samleledningen tilføres smeltecellen, og at smeltet aluminium fjernes fra det nedre parti av elektrolysecellene.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at smeiten i smeltecellen elektrolyseres ved en likestrømspenning som er lavere enn den som vil elektrolysere aluminiumoksydet, for derved å dekomponere oksyder som kan dekomponeres elektrisk, og at de gassformede dekomponeringsprodukter fjernes.

3. Apparat til utførelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert ved en rekke på linje liggende elektrolyseceller (E^ - Ex), en skrånende fordelingsrenne (23) som strekker seg over og hovedsakelig på linje med rekken av celler, ledninger (F^ - Fx) som fører fra fordelingsrennen inn i hver sin celle, en samleledning (22) som skråner motsatt av fordelingsrennen (23) og strekker seg langs cellerekken, overløpsledninger (0^ - 0x) som strekker seg fra et nivå nær den øvre ende av hver sin elektrolysecelle inn i samleledningen (22),en lukket smeltecelle (15) med organer (14) til å føre aluminiumoksyd og de andre materialer inn i cellen, en ledning (21) som strekker seg fra smeltecellen til den øvre ende av fordelingsrennen (23), en ledning (20) som strekker seg fra den nedre ende av samleledningen inn i smeltecellen (15), og organer (16, 16a, 17) til å opp-varme det smeltede aluminiumoksyd og de andre materialer i smeltecellen til smeltet tilstand.