NO123318B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til opphevelse av anodeeffekten i en

elektrolytisk celle til fremstilling av aluminium.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til opphevelse

av anodeeffekten i en elektrolytisk celle til fremstilling av aluminium.

Metallisk aluminium utvinnes av aluminiumholdige forbindelser, såsom aluminiumoksyd (A^O^) ved elektrolyse av et smeltet saltbad eller en elektrolytt. Ved fremstilling av aluminium ved den vanlige elektrolytiske metode som i alminnelighet betegnes som Hall-Heroult-metoden, omfatter den elektrolytiske celle i alminnelighet et stålkar med en karbonfÅring. Bunnen av karbonforingen sammen med et lag elektrolytisk frembrakt smeltet aluminium som samler seg på firingen under drift,

tjener som katoden. En eller flere karbonelektroder som forbrukes er rettet ned i cellen ovenfra og blir ved sin nedre ende dykket ned i et

lag av smeltet elektrolytt som befinner seg i cellen. Under drift blir elektrolytten eller badet som er en blanding av aluminiumoksyd og kryolitt, fylt i cellen, og en elektrisk strøm føres gjennom cellen fra anoden til katoden via laget av smeltet elektrolytt. Aluminiumoksydet dissosieres av strømmen slik at aluminium avsettes på den flytende aluminiumkatode og oksygen frigis ved karbonanoden, der det-dannes karbonmonoksyd og karbondioksyd. En skorpe av størknet elektrolytt og aluminiumoksyd dannes på overflaten av badet, og dette blir vanligvis dekket méd ytterligere aluminiumoksyd.

Ved den vanlige elektrolytiske fremstillingsmetode benyttes

det to typer elektrolyttiske celler, nemlig celler der det anvendes ferdig fremstilte elektroder og den type celler som vanligvis betegnes som Søderberg-celler. I begge tilfelle innbefatter reduksjonsprosessen nøyaktig de samme kjemiske reaksjoner, og forskjellen består i elek-trodens oppbygning. I den førstnevnte type celler bakes anodene ferdig før de settes på plass i cellen, mens anoden i Søderberg-cellen bakes på plass, det vil si at den bakes ferdig mens elektrolyttcellen er i drift og til bakingen utnyttes da en del av den varme som frembringes under reduksjonen. Foreliggende oppfinnelse kan anvendes på begge typer celler.

Et typisk elektrolytisk bad for aluminiumfremstilling i vanlige anlegg kan ha denne sammensetning: 1-10 $ aluminiumoksyd, 0-10 fo alu-miniumtrifluorid, jj-12 fo kalsiumfluorid og 8O-9O fo kryolitt. Etterhvert som elektrolysen pågår, forbrukes aluminiumoksyd proporsjonalt med dannelsen av metall. Når aluminiumoksydkonsentrasjonen i elektrolytten avtar, kommer man til et punkt der man støter på det vanskelige fenomen som betegnes som "anodeeffekt". Spenningsfallet over cellen kan f.eks. øke fra rundt 4 volt'til så meget som 40 volt og ennu høyere. Denne effekt mener man skyldes en for lav konsentrasjon av aluminiumoksyd i reduksjonscellens bad eller elektrolytt. Den egentlige konsentrasjon av aluminiumoksyd i elektrolytten som denne effekt opptrer ved synes å avhenge av temperatur, elektrolyttens sammensetning og anodens strøm-tetthet. At anodevirkningen opptrer er et signal om at mer aluminiumoksyd skal tilsettes. Den som passer anlegget gjør dette ved å bryte i stykker den størknede skorpe hvorpå det ligger et tidligere påført lag av aluminiumoksyd. Tilsetningen av aluminiumoksyd såvel som en kraftig omrøring av elektrolytten fører til at anodeeffekten for-svinner, hvoretter elektrolysen fortsetter på normal måte inntil anodeeffekten igjen opptrer.

Anodeeffekten har en rekke uheldige følger slik at en opphevelse av anodeeffekten så hurtig som mulig og gjenopprettelse av normale arbeidsforhold i høyeste grad er ønskelig. Ved normalt forløp av elektrolysen vil bunnflaten av anoden være omgitt av gassbobler som konstant unnviker. De synes å danne seg på anoden og de bryter seg lett løs og unnviker fra elektrolytten. En jevn gassutvikling rundt anoden er et tegn på normal drift. I det øyeblikk da anodeeffekten opptrer synes bunnflaten av elektroden å være helt omgitt av en film av gass. Denne film dekker anodens overflate og fortrenger den smeltede elektrolytt eller badet slik at anoden blir ikke-fuktende. Små lysbuer, dannes mellom elektrolytten og anoden, men helt avbrytelse av strømmen finner ikke sted fordi noe av strømmen føres av lysbuene som kontinuer-lig flytter seg. Lysbuene fører til lokal oppvarmning slik at noe av materialet fordamper og frembringer tilstrekkelig gass til at også de enkelte lysbuer blir nesten avbrutt. Nye lysbuer dannes fordi gass-filmen nær anoden nødvendigvis må være forholdsvis ujevn og momentane kontakter dannes mellom anoden og badet. Denne overoppvarmning fører til et hurtig forbruk av anoden. Et annet meget viktig og uheldig resultat av anodeeffekten er det store uproduktive kraftforbruk.

Innenfor teknikkens stand er det i tillegg til den manuelle betjening som er nevnt ovenfor, gjort mange forsøk på hurtig å kunne kontrollere eller avslutte anodeeffektene. Noen av disse tidligere kjente forslag har vært ganske høyttravende, noe som viser størrelsen av problemet og de ekstreme fremgangsmåter som fagfolk på det felt det her er tale om, har vært villig til å ta i bruk for å få kontroll med situasjonen.

Britisk patent nr. 853*056 beskriver en fremgangsmåte der det anvendes en lydvibrator som skal bringe anodeeffektene. til opphør. Hvorledes denne fremgangsmåte opphever anodeeffekten er ikke. forklart.

I U.S. patent nr. 2.56O.854 beskrives det en fremgangsmåte for å bringe anodeeff ekten til opphør, der man langsomt svinger ano.dene fra et magert område i elektrolytten til et rikere område (rikere på aluminiumoksyd). Det er klart at dette vil biande aluminiumoksydet i badet mer inngående og derved hjelpe til med å bringe anodeeffekten til opphør. Det tunge og kompliserte utstyr man må ha for å kunne utføre dette

er imidlertid lett å tenke seg. Det er mulig at svingebevegelsen av anoden gjør det lettere for gassbobler å unnvike fra anodens under-side. En jevnere strømtetthet for cellen sies også å være resultatet av denne i og for seg interessante drift av cellen.

I U.S. patent nr. 2.930*746 diskuteres den manuelle betjening som er nevnt ovenfor, og det hevdes at andre foranstaltninger kan treffes, herunder omrøring av metallet i aluminiumpotten under anodene så kraftig at man får midlertidige kortslutninger mellom 'anode og aluminium. Dette sies å kjøle gassene og skape forstyrrelser slik at de lettere unnviker. Å senke anodene nærmere ned til den smeltede aluminiummasse benyttes også for å bringe anodeeffekten til opphør. Det foreslås så i dette patent et reguleringssystem som styres av spenning, strøm og temperatur, der anoden heves og senkes etter behov for å holde de nevnte variable faktorer på på forhånd bestemte arbeids-verdier. I henhold til patentet skulle dette oppheve anodeeffektene.

Sammenliknet med denne teknikkens stand har man ved foreliggende oppfinnelse kommet frem til en enkel og effektiv fremgangsmåte for hurtig opphevelse av anodeeffektene. Hvis man følger fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen vil man oppnå at mer enn tyOfo av all anodeeffekt hurtig kan bringes til opphør. Fremgangsmåten innebærer bestem-melse av tidspunktet da spenningsfallet over cellen overstiger 150%

av den normale arbeidsverdi, og når denne verdi er nådd, senkes cellens anode for å redusere avstanden mellom anode og katode i cellen til fra 30-60 % av den normale arbeidsavstand og fortrinsvis ikke mer enn til omtrent 51$* Den aluminiumoksydkonsentrasjon man har til rådighet i badet justeres så fra omtrent 2-6 vekts-#. Anoden løftes så slik at man igjen får den normale avstand mellom anode og katode, og når anoden kommer i løftet stilling er anodeeffekten avsluttet og normale arbeidsforhold gjenopprettet.

Den aluminiumoksydkonsentrasjon man har til rådighet i badet eller elektrolytten kan justeres ved at man anbringer en viss mengde aluminiumoksyd på skorpen over elektrolytten i cellen og bryter i stykker skorpen på cellens elektrolytt slik at aluminiumoksydet på skorpen faller ned i elektrolytten. Forskjellige foranstaltninger kan treffes for denne tilsetning av aluminiumoksyd. Aluminiumoksyd kan til-føres elektrolytten før cellens anode senkes, under anodens senkning, etter at anoden er blitt senket eller til og med mens man igjen løfter anoden i cellen. En hensiktsmessig fremgangsmåte er å mate aluminiumoksydet til elektrolytten i små mengder for derved gradvis å innføre aluminiumoksydet i badet slik at man letter oksydets oppløsning og hindrer dannelse av skitt på katoden, og da tilsettes i det minste en av .porsjonene av aluminiumoksyd til elektrolytten etter at cellens anode er senket. Med uttrykket "skitt" menes her en samling av aluminiumoksyd eller andre bestanddeler i badet som kan samle seg mellom karbon-firingen og det smeltede aluminium og derved forstyrre driften av cellen og virke inn på renheten i det metall som fremstilles.

Et passende anlegg for opphevelse av anodeeffekten i overens-stemmelse med foreliggende oppfinnelse, krever for det første en passende anordning, såsom en volt meter for måling av spenningsfallet over cellen og utstyr for avgivelse av et signal når spenningsfallet over cellen er på mer enn I50 få av normal arbeidsspenning. Dette signal vil så utløse systemet slik at dette trer i virksomhet.

Innretninger, såsom en løftemotor for anoden som styres av signalspenningen, senker cellens anode eller anoder for å minske avstanden mellom anode og katode til mellom 30 og 60 f° av den normale arbeidsavstand. Den aluminiumoksydkonsentrasjon man har i cellen justeres ved hjelp av andre innretninger som påvirkes av spenningen til omtrent 2-6 vekts-#. Sluttelig finnes det anordninger for hevning av anoden for å stille denne tilbake til den normale avstand mellom anode og katode.

En utførelsesform for oppfinnelsen vil nu bli beskrevet som eksempel under henvisning til tegningene der: Fig. 1 er en grafisk fremstilling av den kumulative prosentdel av anodeeffekter som er opphevet sett i forhold til den gjenværende prosent av normal anode-katodeavstand etterat anoden er senket,

fig. 2 viser et koplingsskjema for et mulig anlegg for opphevelse av anodeeffekt og

fig. 3 viser en tidsstyreanordning med kammer for det anlegg som er vist på fig. 2.

En rekke forsøk ble utført under utviklingen av foreliggende oppfinnelse. De celler som ble benyttet under forsøkene var vanlige celler for 72000 amp. og omtrent 5 volt. I alle forsøkene ble et volt-meter benyttet for måling av spenningsfallet over'..cellen. Under de første forsøk da spenningsfallet over cellen oversteg omtrent 130 f> av normal arbeidsspenning ble en motor benyttet for å senke anoden slik at man reduserte avstanden mellom anode og katode til omtrent 55 f° av den normale verdi. Mateanordninger ble betjent seks ganger med 10 sek. mellomrom fra begynnelsen av anodeeffekten, slik at det ble matet omtrent 15 kg aluminiumoksyd til cellen, noe som økte konsentrasjonen frå 2 til omtrent 6 vektsprosent med anodene senket i løpet av 19 sek. etter at anodeeffekten oppsto. Et slagbor ble satt i drift etter tilsetningen av aluminiumoksyd for å mate dette oksyd ned i elektrolytten eller badet, idet aluminiumoksydet var blitt anbrakt på skorpen over celleelektrolytten av mateanordningene. Motoren for bevegelse av anoden ble så satt i drift for å heve anoden og bringe avstanden mellom anode og katode tilbake til det normale. Resultatet av dette er vist ved punkt A på fig. 1. I'det neste forsøk ble motoren for bevegelse av anoden satt i drift for å senke cellens anode slik at man reduserte avstanden mellom anode og katode i cellen til ikke mer enn omtrent 60fo av den normale arbeidsavstand. Dette ble gjort i løpet av 15 sek. etter at man fikk signal om at spenningsfallet over cellen hadde over-steget 130 fo av normal arbeidsspenning. Mateanordningene var i drift 12 ganger etter at anodeeffekten begynte, med 10 sek. mellomrom for å anbringe en utmålt mengde aluminiumoksyd (omtrent 30 kg) på skorpen over cellens elektrolytt. Bryteanordningen for skorpen ble så satt i virksomhet etter 6 mateoperasjoner og igjen etter 12 mateoperasjoner for oppbrytning av skorpen på cellens elektrolytt slik at aluminiumoksydet på skorpen kunne falle ned i elektrolytten. Motoren for bevegelse av anoden var i drift 100 sek. etter at anodeefekten begynte, for å heve anodene slik at de fikk tilbake den normale avstand mellom anode og katode. Av 333 anodeef f ekter som ble nedtegnet ble 74 f° roed hell opphevet, som vist ved punkt B på fig. 1.

I den neste rekke forsøk ble reduksjonen av avstanden mellom anode og katode forandret slik at den ikke ble redusert til mer enn omtrent 41 f° av den normale arbeidavstand. Slagboret for oppbrytning av skorpen var i drift én gang etter tre mateoperasjoner. Avstanden mellom anode og katode ble dessuten opprettholdt ved den reduserte verdi i omtrent 155 sek. før anoden ble løftet for derved å gå tilbake til den normale avstand mellom anode og katode. Under disse forsøk og i de følgende forsøk ble anlegget satt i drift når spenningsfallet over cellen oversteg omtrent 150 fø av normal arbeidsverdi. Av 8l nedtegnede anodeeff ekter ble 77 eller omtrent 95 f° med hell opphevet „ Dette er gjengitt ved punkt C på fig. 1.

I de neste forsøk var avstanden mellom anode og katode innstilt på samme måte som for forsøkene som er antydet ved punkt B på fig. 1. Forskjellene mellom forsøkene B og disse forsøk, forsøkene D, er disse:

Mateanordningene ble satt i drift 17 ganger for å mate frem

42,5 kg aluminiumoksyd. Slagboret for oppbrytning av skorpen var i drift fem ganger og avstanden mellom anode og katode ble holdt på den reduserte verdi i 155 sek. Av 90 nedtegnede anodeeffekter ble 84 eller omtrent 93 f° me& hell avsluttet eller opphevet som vist ved punkt B

på fig. 1.

Forsøkene E gjentok detaljene fra forsøkene C bortsett fra at motoren for bevegelse av anoden ble styrt slik at avstanden mellom anode og katode ble redusert til omtrent 51 f° av den normale avstand mellom anode og katode, mens slagboret for oppbrytning av skorpen var i drift fem ganger. Denne fremgangsmåte opphevet med hell over 95 f° av alle anodeeffekter man støtte på, som angitt ved punkt E på

fig. 1.

I løpet av en ytterligere forsøksperiode for å bestemme den ønskede reduksjon i avstand mellom anode og katode for reproduserbar opphevelse av anodeeffektene ble 97 f° av anodeeffektene avsluttet.

Den minste reduksjon i avstanden mellom anode og katode som var nød-vendig for at man med hell skulle oppheve en anodeeffekt, var til en avstand på ikke mer enn 8l fo av den normale arbeidsavstand. Største-delen av anodeeffektene ble med hell opphevet når avstanden mellom anode og katode ble redusert til ikke mer enn 4-0 fo av den normale arbeidsavstand,og 99 $ av anodeeffektene ble opphevet når avstanden ble redusert til ikke mer enn omtrent 30 f° av normal arbeidsavstand. Resultatet av disse forsøk er vist på den kurve man ser på fig. 1.

Koplingsskjemaet for et anlegg til opphevelse av anodeeffekten

og beregnet for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er vist på fig. 2 og 3» der man ser en kamstyrt tidsstyreanordning. Denne anordning vil senke cellens anode for å redusere avstanden mellom anode- og katodecellen til fra 30 til 60 fo av den normale arbeidsavstand og fortrinsvis ikke mer enn til 51 f° av denne avstand. Den konsentrasjon man har av aluminiumoksyd i badet justeres til den ønskede verdi i området fra 2 fo til 6 fo målt i vekt, ved tilførsel av aluminiumoksyd i porsjoner, som i det viste eksempel er 17 2,5 kg porsjoner,

der den første porsjon aluminiumoksyd anbringes på skorpen på elektrolytten omtrent samtidig med senkningen av anoden og der den siste porsjon tilsettes når anoden heves. Skorpen på elektrolytten i cellen brytes i stykker av slagboret fem ganger i løpet av den porsjonsvise tilførsel av aluminiumoksyd. Anlegget er beregnet på å tre i virksomhet når spenningsfallet over cellen overstiger I50 fo av normal arbeidsspenning. På dette punkt settes motoren for tidsstyreanordningen igang bg rekkefølgen av de operasjoner som er beskrevet og vist vil så begynne-Denne fremgangsmåte, ved 51 f> av normal avstand mellom anode og katode vil oppheve minst 95 $ av all anodeeffekt smm oppstår i normale reduksjonsceller.

Av den rekke forsøk og av de resultater som er gjengitt vil man se at en betydningsfull faktor når det gjelder å oppheve anodeeffekten ved reduksjon av avstanden mellom anode og katode er at den endelig avstand mellom anode og katode må reduseres tilstrekkelig til at anodé-effekten opphører. Reduksjon av avstanden mellom anode og katode til ikke mer enn omtrent 51 $ av den normale arbeidsavstand har vist seg å være tilfredsstillende for 95 $ av tilfellene. Den minste reduksjon i avstanden mellom anode og katode som gir en brukbar pålitelighet,

det vil si 95 $» foretrekkes for at man derved skal kunne redusere forstyrrelsene i elektrolyttbadets nivå. Tilsetningen av aluminiumoksyd til badet som en del av arbeidet med å bringe anodeeffekten til opphør vil også hjelpe til med å oppheve anodeeffekten. Det tilsatte aluminiumoksyd, hvis det løses opp i badet, gjør det også lettere for cellen å gå tilbake til norunal elektrolyse. Mengden av aluminiumoksyd som tilsettes badet bør ikke være mer enn det badet kan løse opp, idet man derved hindrer dannelse av skitt på katoden. Anlegget til opphevelse av anodeeffekt og fremgangsmåten som her er beskrevet, innebærer tilsetning av så meget aluminiumoksyd at man hindrer nye anodeeffekter i å oppstå umiddelbart. Denne forbedrede kontroll med tilsetningen av aluminiumoksyd vil hjelpe til med å holde katoden fri for skitt. At katoden holdes fri for skitt resulterer i en høyere virkningsgrad.

Skorpen over badet i en celle der anodeeffekten oppstår, vil kunne holdes så godt som intakt hvis anodeeffekten hurtig bringes under kontroll og hvis man ikke foretar for store justeringer av anoden.

Med omgående opphevelse av anodeeffekten vil varmebalansen langs hele rekken av reduksjonsceller holdes stabil og man trenger mindre ettersyn for at cellene skal kunne arbeide tilfredsstillende. Størrelsen av den midlere linjebelastning øker også når anodeeffektene hurtig og effek-tivt kan oppheves. Tabell I viser den vinning man oppnår i den midlere linjebelastning med anlegg og fremgangsmåter som beskrevet ovenfor,

til opphevelse av anodeeffekter. Man vil se at hurtig opphevelse av anodeeffekten øker verdien på den midlere linjebelastning uten økning i den tilførte energi. Den økede strømstyrke fører til eh øket produk-sjon i reduksjonscellen uten ekstra omkostninger.

Økning i gjennomsnitlig linjébelastnin';g med anlegg for opphevelse av anodeeffekten.

Drift uten opphevelse åv anodeeffekten

Drift med opphevelse av anodeeffekt

Økningen i den gjennomsnitlige strømstyrke på ^7^ ampere som tabellen viser, får man uten økning i omkostninger for krafttil-førsel og med en reduksjon i det arbeid som utføres i cellerommet. Denne forbedring i gjennomsnitlig linjebelastning er mulig på grunn

av den hurtige og effektive opphevelse av anodeeffektene.

Denne opphevelse av anodeeffekter sparer personalet for de harde fysiske påkjenninger dette personale normalt utsettes for. Når man således reduserer kravene til fysisk utfoldelse kan kravet til arbeidskraft også nedsettes når det gjelder driften av en rekke celler. Det arbeid som skal utføres kan foregå uten uventede avbrytelser for

å oppheve anodeeffekter. Mindre enn en anodeeffekt av tyve vil kreve manuelt arbeid, og bare noen få av de manuelt opphevede anodeeffekter krever mer enn en liten raking som forklart ovenfor under henvisning til teknikkens stand. Personalet vil være i stand til å utføre andre plikter uten å avbryte disse for å oppheve en anodeeffekt.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til opphevelse av anodeeffekten i en elektrolytisk celle til fremstilling av aluminium ved reduksjon av anode/katodeavstanden og ved justering av konsentrasjonen av aluminiumoksyd i badet i cellen, karakterisert ved at cellens anode senkes for å redusere anode/katodeavstanden fra 30-6055 av normal arbeidsavstand når spenningsfallet over cellen stiger over 155? av den normale arbeidsverdi, idet den tilstedeværende konsentrasjon

av aluminiumoksyd i badet 'justeres ved tilsetning av aluminiumoksyd til elektrolytten fra omtrent 2 vekts-$ til 6 vekts-%, hvoretter anoden heves til den normale anode/katodeavstand.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at aluminiumoksydet tilføres i porsjoner og at minst en av porsjonene tilføres elektrolytten før cellens anode senkes og minst en av porsjonene av aluminiumoksyd tilføres elektrolytten etterat cellens anode er senket. 3- Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at cellens anode senkes for å redusere avstanden mellom anode og katode i cellen til ikke mer enn 5155 av normal arbeidsavstand .