NO129154B

NO129154B -

Info

Publication number: NO129154B
Application number: NO04408/71A
Authority: NO
Inventors: Hatting W Schmidt; R Pawlek
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1970-12-01
Filing date: 1971-11-30
Publication date: 1974-03-04
Also published as: DE2153293A1; BR7107974D0; CH536360A; AR192900A1; IT941804B; FR2116478A1; NL7115830A; BE776031A; GB1328310A; AU3631871A; US3756929A

Description

Fremgangsmåte ved smelteelektrolytisk Process by melting electrolytic

fremstilling av aluminium. production of aluminium.

For elektrolytisk fremstilling av aluminium fra aluminiumoksyd (A^O^) loses dette i en fluoridsmelte. Elektrolysen skjer i et temperaturområde fra ca. 9<L>fO°C til 975°C. Det katodisk utskilte aluminium samler seg på bunnen av elektrolysecellen under fluoridsmelten. I smeiten rager det ned anoder av amorft kull. Ved anodene oppstår det oksygen ved elektrolytisk spalting av aluminiumoksydet og oksygenet forbinder seg med karbonet i anodene til CO og COg. For the electrolytic production of aluminum from aluminum oxide (A^O^), this is dissolved in a fluoride melt. The electrolysis takes place in a temperature range from approx. 9<L>fO°C to 975°C. The cathodically separated aluminum collects at the bottom of the electrolytic cell below the fluoride melt. In the smelter, anodes of amorphous coal protrude. At the anodes, oxygen is produced by electrolytic splitting of the aluminum oxide and the oxygen combines with the carbon in the anodes to form CO and COg.

Prinsippet for en åluminium-elektrolysecelle fremgår av den skjematiske og ikke målestokkriktige figur 1 som viser et lengdesnitt av cellen.. Fluoridsmelten 10 elektrolytten, befinner seg i et stålkar 12 med en kullforing 11 og forsynt med varmeisolasjon 13. Det katodisk utskilte aluminium 1>+ ligger på bunnen 15 av cellen. Overflaten 16 av' det flytende aluminium utgjor katoden. I kullforingen er det lagt inn katodebarrer 17 av jern som forer den elektriske strom ut fra. bunnen av cellen. I fluoridsmelten 10 rager det ned anoder 18 av amorft kull som leder den elektriske likestrbmtil elektrolytten. Anodene er gjennom stromledende stenger 19 og låseanordninger 20 fåst forbundet:med anodebjelken 21. Elektrolytten 10 er dekket med en skorpe 22 av storknet smelte The principle of an aluminum electrolysis cell can be seen from the schematic and not to scale figure 1, which shows a longitudinal section of the cell. The fluoride melt 10, the electrolyte, is located in a steel vessel 12 with a carbon lining 11 and provided with thermal insulation 13. The cathodically separated aluminum 1>+ is located at the bottom 15 of the cell. The surface 16 of the liquid aluminum constitutes the cathode. Cathode bars 17 made of iron have been inserted into the coal lining, from which the electric current flows out. bottom of the cell. In the fluoride melt 10, anodes 18 of amorphous carbon project downward, which conduct the electric direct current to the electrolyte. The anodes are connected through current-conducting rods 19 and locking devices 20 to the anode beam 21. The electrolyte 10 is covered with a crust 22 of solidified melt

og den ligger et,lag 23 av aluminiumoksyd. Avstanden d mellom undersiden 2h av anodene og aluminiumoverflaten 1.6, også kalt interpolaravstanden, lar seg forandre ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av et hevverk 25 som er:'montert på sbyler 26. Som folge .av. angrep .fra det -oksygen som frigis .• and there is a layer 23 of aluminum oxide. The distance d between the underside 2h of the anodes and the aluminum surface 1.6, also called the interpolar distance, can be changed by raising or lowering the anode beam 21 by means of a lifting mechanism 25 which is:'mounted on spools 26. As a result of attack .from the -oxygen that is released .•

ved elektrolysen forbrukes anodene på undersiden daglig med ca. ' 1,5 til 2 cm alt etter celletypen. 1 - _ , during electrolysis, the anodes on the underside are consumed daily by approx. ' 1.5 to 2 cm depending on the cell type. 1 - _ ,

Strømtettheten i anodene kan ikke velges vilkårlig. The current density in the anodes cannot be chosen arbitrarily.

Interpolaravstanden mellom anodene og katoden må "ikke The interpolar distance between the anodes and the cathode must "not

underskride h cm da det ellers vil komme til kortslutning mellom metallet og anodene som folge av elektromagnetiske kraft-virkninger. Dessuten blir stromutbyttet (forholdet mellom mengden av det fremstilte aluminium og den teoretiske mengde fremstilt i henhold, til Faraday's lov) ..f.or lavt ved slik liten interpolarav stand. fall below h cm as otherwise there will be a short circuit between the metal and the anodes as a result of electromagnetic force effects. Moreover, the current yield (the ratio between the amount of aluminum produced and the theoretical amount produced in accordance with Faraday's law) is, for example, low with such a small interpolar state.

På den annen side blir det ved for stor interpolaravstand produsert unodig meget varme inne i aaLlekaret, og denne må fores On the other hand, if the interpolar distance is too large, an unnecessary amount of heat is produced inside the vessel, and this must be lined

■bort som varmetap, hvorved det spesifikke elektriske energiforbruk (kWh/kg Al) blir _unt>dig hoyt. away as heat loss, whereby the specific electrical energy consumption (kWh/kg Al) becomes extremely high.

Det må velges en slik stromtetthet som i elektrolytten og i cellebunnen, dvs. altså innenfor cellekaret, bare frembringer så meget varme som må fores bort etter fratrekk av nytteenergien, d.v.s. den som er nodvendig for spalting av aluminiumoksydet og oppvarmning av de tilforte råstoffer til en arbeidstemperatur på fra 9^0 til 975°C ved et hensiktsmessig dekke av aluminium- Such a current density must be chosen that in the electrolyte and in the cell base, i.e. within the cell vessel, only produces as much heat as must be carried away after subtracting the useful energy, i.e. that which is necessary for splitting the aluminum oxide and heating the added raw materials to a working temperature of from 9^0 to 975°C by a suitable cover of aluminium-

oksyd 23 på den faste elektrolyttskorpe. Aluminiumoksyddekket 23 har flere oppgaver. Ved siden av den oppgave å forberede oxide 23 on the solid electrolyte crust. The aluminum oxide cover 23 has several tasks. Next to the task to prepare

aluminiumoksydet for innforing i smelteelektrolytten, må det på the aluminum oxide for introduction into the molten electrolyte, it must be applied

den ene side beskytte anodene mot luftavbrand og på den annen side tilveiebringe -en god varmeisolasjon. on the one hand protect the anodes against air burns and on the other hand provide good thermal insulation.

Minstetykkelsen av aluminiumoksyddekket 23 på den skorpeformede badoverflate 22 kan gå ned til ca. 7 cm. Dette er det driftsteknikse minimum. The minimum thickness of the aluminum oxide cover 23 on the crust-shaped bath surface 22 can go down to approx. 7 cm. This is the operating technique minimum.

Prinsipielt kan det arbeides med en hoyere strømtetthet enn In principle, work can be done with a higher current density than

den optimale. Den for meget produserte varme må da fjernes fra cellen ved et kunstig forhøyet varmetap, for eksempel ved å the optimum. The excessively produced heat must then be removed from the cell by an artificially increased heat loss, for example by

minske aluminiumoksyddekket 23 på den skorpeformede reduce the aluminum oxide cover 23 on the crust-shaped

badoverflate 23 til 8 til 7 cm, hvorved det spesifikke elektriske energiforbruk forhoyes betraktelig. Fordelen ligger i at cellen kan gjores mindre, hvorved kapitalomkostningene blir mindre. bath surface 23 to 8 to 7 cm, whereby the specific electrical energy consumption increases considerably. The advantage lies in the fact that the cell can be made smaller, whereby the capital costs are reduced.

Hvis det på den annen side velges en for lav anodisk strømtetthet, nedsettes ved,konstant interplaravstand spenningsfallet i elektrolytten, hvorved det spesifikke elektriske energiforbruk avtar slik at det må benyttes en storre æLle som blir tyngre og kostbarere. Med stigende vekt av cellen blir også fundamentkonstruksjonene i hallen kostbarere. Reparasjons-omkostningene vil også forhoyes med stigende cellevekt. If, on the other hand, a too low anodic current density is chosen, the voltage drop in the electrolyte is reduced at a constant interplate distance, whereby the specific electrical energy consumption decreases so that a larger cell must be used, which becomes heavier and more expensive. With increasing weight of the cell, the foundation structures in the hall also become more expensive. Repair costs will also increase with increasing cell weight.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å soke nye The purpose of the present invention is therefore to seek new

veier for valg av den riktige anodiske stromtetthet. ways of choosing the correct anodic current density.

I Handbuch der technischen Elektrochemie, bind III (2net In Handbuch der technischen Elektrochemie, Volume III (2net

opplag), åidene 179-181 er det angitt at det for enhver celletype henholdsvis badstorrelse, dvs. anodeflate, trengs en, edition), pages 179-181 state that for every cell type or bath size, i.e. anode surface, one,

. driftstrbmstyrke som ligger innenfor forholdsvis snevre grenser, fer at elektrolysen skal. kunne foregå ved den 'riktige" driftstemperatur på 900-1000°C. Det sies intet om hvorledes denne driftstromstyrke blir valgt. De strømtettheter som er . operating voltage that lies within relatively narrow limits means that the electrolysis must. could take place at the 'correct' operating temperature of 900-1000°C. Nothing is said about how this operating current strength is chosen. The current densities that are

angitt i tabellene er ganske vist tatt ut fra praksis, men svarer ikke til den optimale stromtettbat. stated in the tables are admittedly taken from practice, but do not correspond to the optimal stromtettbat.

I boken Metallurgie des Aluminiums (1956), bind 1, sidene 161-166, samt i en tabell på side 1 51 , beskjeftiger forfatteren seg forst og fremst med avhengigheten mellom den stromtetthet som skal bestemmes og energiprisen. For hver energipris har han en eneste stromtetthet, idet energiprisen svinger i forholdet 1:5. Slike svingninger er indiskutable-for aluminiumprodusenter. Tabellen på side 151 viser den historiske utvikling av cellestrom-styrker og anodestromtettheter. Det må' bemerkes at det angitte spesifikke energiforbruk, jfr. tabell k8 på side 151, ikke i noen tilfelle var mindre enn 17 ?5 kWh/kgAl. Folgelig er det heller ikke her angitt noen vei for å oppnå den optimale , anode-stromtetthet. In the book Metallurgie des Aluminiums (1956), volume 1, pages 161-166, as well as in a table on page 1 51, the author deals primarily with the dependence between the current density to be determined and the energy price. For each energy price, he has a single current density, as the energy price fluctuates in the ratio 1:5. Such fluctuations are indisputable for aluminum producers. The table on page 151 shows the historical development of cell current strengths and anode current densities. It must be noted that the specified specific energy consumption, cf. table k8 on page 151, in no case was less than 17 ?5 kWh/kgAl. Consequently, there is no way indicated here either to achieve the optimum anode current density.

I henhold til.foreliggende oppfinnelse velges det i en aluminiumelektrolysecelle med forbrente anoder etter fastleggelse av en bestemt stromstyrke på 50 kA eller derover en slik stromtetthet for ■ elektrolyseanlegget at det ved en elektrolytt-temperatur mellom 9hO°C og 975°C, en interpolaravstahd på fra 5 til 6 cm og et aluminiumoksyddekke på ca. 1U- til 16 cm tykkelse på den skorpedannede badoverflate frembringes akkurat så meget varme- 1 cellen som denne celle etter fratrekk av den varmemengde som trengs for spaltning av aluminiumoksydet og for oppvarmning av råstoffene, kan bortfore som tap. According to the present invention, in an aluminum electrolysis cell with burnt anodes, after determining a certain current strength of 50 kA or more, such a current density is selected for ■ the electrolysis plant that, at an electrolyte temperature between 9hO°C and 975°C, an interpolar resistance of from 5 to 6 cm and an aluminum oxide cover of approx. 1U- to 16 cm thick on the crusted bath surface, the cell produces just as much heat as this cell, after deducting the amount of heat needed for splitting the aluminum oxide and for heating the raw materials, can carry away as loss.

Fig. 2 viser sammenhengen mellom anodisk stromtetthet j i A/cm<2>Fig. 2 shows the relationship between anodic current density j in A/cm<2>

• og cellestromstyrken l i kA forde' nevnte betingelser'. Di vil • and the cell current strength l in kA for the aforementioned conditions. You will

ses at den anodiske stromtetthet vil avta méd stigende cellestrbmstyrke. I den samme figur 2 er inntegnet det spesifikke elektriske energiforbruk E i kWh/kg Al som svarer til den angjeldende stromtetthet og den tilhorende cellestromstyrke. can be seen that the anodic current density will decrease with increasing cell voltage. In the same Figure 2, the specific electrical energy consumption E in kWh/kg Al is plotted which corresponds to the relevant current density and the corresponding cell current strength.

Av fig'. 2 kan det avleses- hvilken anodisk stromtetthet som i henhold til- oppfinnelsen skal velges ved den fastsatte cellestromstyrke.' Eksempelvis ligger 1 en celle som drives- med Of fig'. 2, it can be read which anodic current density which, according to the invention, should be selected at the determined cell current strength.' For example, 1 is a cell that is operated with

o o

100 kA, den valgte stromtetthet ved 0,67 A/cm 100 kA, the selected current density at 0.67 A/cm

Ved å overholde betingelsene i henhold til oppfinnelse arbeider cellen i det optimale stromtetthetsområde. På den skorpeformede badoverflate ligger så meget aluminiumoksyd i ca. 1<*>+ til 16 cm tykkelse at elektrolytten ved neste skorpebrytning tilfores en tilstrekkelig mengde av dette forvarmede stoff. Da aluminiumdekkets overflate er praktisk talt flat, ligger det f.eks. på de enkelte anoder, som har halvparten av sin anvendelsestid bak seg, et aluminiumoksydlag på ca. 7-8 cm tykkelse som beskytter dem mot luftavbrand. De nyere anoder hvis ovre del rager opp over aluminiumoksyddekket, blir bare hoyst ca. 500°C varme og blir knapt utsatt for luftavbrand og behover ' derfor ikke noe aluminiumoksyddekke for beskyttelse mot luft-oksygent. ;Interpolaravstanden er ikke så lav at det ikke kan opptre forstyrrende magnetiske effekter, men den er heller ikke så hby at det i elektrolytten frembringes unodig varme som må bortfores fra cellen som kunstig forhøyet varmetap. På den annen side ligger elektrolytt-temperaturen i det optimale område 9*+0 til 975°C, slik at det kan oppnås et godt strdmutbytte ved celler som drives i henhold til oppfinnelsen og dermed også et lavt spesifikt elektrisk energiforbruk. By complying with the conditions according to the invention, the cell works in the optimum current density range. On the crust-shaped bath surface there is so much aluminum oxide for approx. 1<*>+ to 16 cm thickness that the electrolyte is supplied with a sufficient amount of this preheated substance at the next crust breaking. As the surface of the aluminum tire is practically flat, there is e.g. on the individual anodes, which have half their useful life behind them, an aluminum oxide layer of approx. 7-8 cm thickness that protects them from air burns. The newer anodes, whose upper part protrudes above the aluminum oxide cover, are only raised approx. 500°C heat and is hardly exposed to air burning and therefore does not need an aluminum oxide cover for protection against air-oxygen. The interpolar distance is not so low that disturbing magnetic effects cannot occur, but it is also not so high that unnecessary heat is produced in the electrolyte which must be carried away from the cell as artificially increased heat loss. On the other hand, the electrolyte temperature is in the optimal range 9*+0 to 975°C, so that a good current yield can be achieved with cells operated according to the invention and thus also a low specific electrical energy consumption.

Claims

Process for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide in a fluoride melt with burnt anodes, characterized in that after determining a specific current of 50 kA or more, such a current density is chosen for the electrolysis plant that at an electrolyte temperature between 9^-0 °C and 975°C, an interpolar distance of 5 to 6 cm and an aluminum oxide cover with approx. 1 to 16 cm thick on the crust-shaped bath surface, just as much heat is produced in the cell as this, after deduction for the amount of heat required for splitting the aluminum oxide and for heating the raw material, can be carried away as loss.