NO139865B - Utskiftbar katodeenhet egnet som modul for oppbygging av stabile, ikke deformerbare katodesystemer i elektrolysoerer for fremstilling av magnesium samt elektrolysoer med innmonterte katodeenheter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører elektrolyserer for fremstilling av magnesium og mer spesielt en ny katodeenhet egnet for oppbygging av katodekonstruksjoner i ulike utforminger for bruk i slike eleJcirolysører.

De kjente IG-elektrolysører for fremstilling av magnesium består av flere celler bygget opp av én anode med verti-

kale flater og to katoder, hver med en aktiv elektrodeflate som vender mot anoden. Dannet klorgass og metall bli holdt atskilt ved hjelp av spesielle skjermer, såkalte skille-vegger, halvvegger eller skjørt, som deler den enkelte celle i områder for henholdsvis klor- og magnesiumoppsamling. En elektrolysør med flere celler har derfor mange gass- og metalloppsamlingsrom.

For å øke elektrodeelementenes virksomme flater og øke ut-byttet av metall pr. elektrolyseenhet, er det kjent å an-ordne tverrgående katodedeler som forløper gjennom anode-sonen. Slike tverrgående katodedeler er fortrinnsvis anordnet parallelt i forhold til hverandre, i jevn avstand fra hverandre og forløpende i rett vinkel i forhold til hovedkatodene slik at det dannes lukkede katoderammer som omslutter anodene. En lukket rammekatode av denne type er kjent fra og første gang beskrevet i vårt tverrkatode-patent - US Patent 3,496,089 tilsv, norsk patent 112277.

Utviklingen har imidlertid gått i retning av større og mer effektive elektrolysørtyper med dobbeltvirkende katoder, hvor gassen fra cellene oppsamles i ett felles område, og hvor den naturlige strømning utnyttes til å transportere metall og elektrolytt fra den enkelte celle til ett felles utskillings- og oppsamlingsområde for metall. Dobbeltvirkende katoder er katoder hvor begge sideflater er elektro-lytisk aktive og hvor hver aktiv flate vender mot en sam-svarende anodeflate. Dette vil. si at anoder og katoder er anordnet vekselvis etter hverandre i en rekke. Elektroly-sører som arbeider etter dette prinsipp, har to hovedsoner eller hovedområder, et elektrolyserom og et metallrom, som er atskilt ved hjelp av en skillevegg. Skilleveggen har åpninger ved den nedre ende for gjennomstrømming av elektrolytt til elektrolyserommet, og åpninger ved den øvre ende, nær elektrolyttoverflaten, gjennom hvilke åpninger elektrolytt og dannet magnesiummetall kan strømme inn i metall-rommet.

Det kjente rammekatodeprinsipp med langsgående og tverrgående katodeenheter er også søkt utnyttet i denne moderne celletype, slik som for eksempel vist i vårt hulkatode-patent - US patent 3.907.651 tilsvarende norsk patent 130119, hvor de langsgående hulkatoder er forbundet ved fastsveiste stålplater, slik at det dannes en lukket ramme rundt hver anode. Katoderammen er av stål og anoden av grafitt.

Videre er det ifølge norsk patentsøknad 76.2333 kjent å benytte boksformede katoder som er omgitt av elektrolytt på alle sider. Herved unngås spenninger forårsaket av tempera-turgradienter og forskjell i varmeutvidelse. Dette er ikke ekte rammekatoder i vår betydning, dvs. med to eller flere deler av rammen fast forbundet med den tilgrensende vegg i elektrolysøren.

Ifølge denne patentsøknads tegninger har katodeboksene en smal spalt eller fuge. Denne fuge omtales ikke i patent-beskrivelsen, men det synes her å dreie seg om en konvensjonell ekspansjonsfuge. Katodeboksene er forbundet til strømskinnene ved hjelp av stive katodehalser som er ført gjennom elektrolysørens sidevegger. Når katodene utvider seg ved oppvarming av elektrolysøren, må det sørges for at materialets varmeutvidelse ikke forplanter seg i retning mot de ytre vegger, men i stedet inn mot midtpartiet av elektrolyserommet. Slike ekspansjonsfuger er ålment kjent og benyttet i en rekke ulike sammenhenger.

Et problem ved bruk av slike, lukkede katoderammer hvor to eller flere deler av rammen er fast forbundet med veggen, er at det på grunn av de høye driftstemperaturer og begrensede muligheter for varmeutvidelse oppstår høye materialspenninger og deformasjon av katodene. Man har forsøkt å unngå dette ved å forsterke katoderammene, men det.har imidlertid ikke vært noen tilfredsstillende løsning.

Rammene er videre tunge og vanskelige å håndtere i forbindelse med montering og demontering av elektrolysører. En utstrakt grad av prefabrikering av de komponenter som benyttes for oppbygging av elektrolyseceller er generelt sett meget ønskelig. Når det gjelder bruk av katoderammer, har det hittil vært vanskelig å benytte prefabrikasjon, da man ikke har kunnet sikre nøyaktig montasje og den riktige anode/katodeavstand. Ved den håndverksmessige oppbygging og muring som foregår i dag, er det derfor nødvendig å sveise sammen katoderammene under oppbygging av elektrolysecellen, noe som ytterligere kompliserer anvendelsen av katoderammer.

Ifølge oppfinnelsen tas sikte på å tilveiebringe en katodeenhet som kan benyttes som modul for oppbygging av et ka-todesystem som har alle de erkjente fordeler ved ramme-katodeprinsippet, men hvor det ikke er fare for deformasjon av katodene eller ødeleggelse av celleveggen. Videre er katodene bygget opp av katodeenheter som kan prefabrikeres og monteres, henholdsvis demonteres, enkeltvis, noe som sikrer en meget enkel og rask montering og demontering av katoden.

Oppfinnelsen bygger på den i og for seg selvsagte erkjen-nelse at så lenge de dobbeltvirkende hovedkatoder er strøm-førende, kan man tillate at den tverrgående katodeforbin-delse oppspaltes, uten at dette"nedsetter tverrkatodens elektrolysetunksjon, samtidig som man beholder de øvrige fordeler ved tverrkatodekonstruksjonen, slik som beskyttelse av cellens og skilleveggens murverk under elektrolyttnivå og uten at det oppstår materialspenninger som deformerer katoden.

Oppfinnelsen er i det etterfølgende beskrevet under hen-visning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 henholdsvis Fig. la, viser en perspektivskisse av en katodeenhet med tverrkatoder av enkleste utforming. Fig. 2 viser et horisontalsnitt gjennom en del av en elek-trolysør, med katodeenheter innmontert vekselvis i forhold til anodene. Fig. 3 viser et snitt av en elektrolysør tilsvarende Fig. 2 med katodeenheter med mellomliggende tverrkatoder og opp-delte eller oppsplittede anoder. Fig. 4 viser et tilsvarende snitt med en ytterligere opp-deling av anodene slik at det dannes kvadratiske bokska-toder.

Endelig viser Fig. 5a og 5b utnyttelse av katodeenheten for etablering av strømforbindelse til katodefleksibel uten å gå gjennom celleveggen.

På Fig. 1 vises en langsgående hovedkatode 1 av stål med vertikale katodeflater. Ved den ene ende er katoden forsynt med en kort, indre tverrkatode 2 og ved den andre ende er forsynt med en kort ytre tverrkatode 3. Begge tverrkatoder er sveiset eller på annen hensiktsmessig måte festet til hovedkatoden og forløper i det vesentlige vinkelrett på denne. Tverrkatodene er fortrinnsvis utformet med rette endekanter og er anordnet symmetrisk i forhold til hovedkatoden, slik at de strekker seg like langt i hver retning. Betydningen av endekantenes form og plassering vil bli utdypet senere. Fig. la viser denne enkle enhetskatode i en noe modifisert utforming. Tverrkatodene 2 og 3 er her anordnet asymmetrisk i forhold til hovedkatoden 1 og forløper kun ut fra den ene side av denne. Når disse katoder monteres i en rammekatode, blir spaltene beliggende mellom hovedkatodens sideflate og tverrkatodenes endeflate. Hovedfordelen ved denne utforming er at antall sveiseforbindelser e.l. mellom hovedkatode og tverrkatoder kan reduseres til det halve. Fig. 2 viser katodeenheten ifølge Fig. 1 montert i en elek-trolysør. Elektrolysøren, som på tegningen vises i horisontalsnitt, er oppdelt i to hovedrom, ett elektrolyserom 11 og ett metallrom 12 atskilt ved hjelp av en ildfast skillevegg 10. Elektrolysøren har videre en ildfast bakvegg 8 og to langsgående ildfaste endevegger 9. De langsgående hovedkatoder 1 er ført igjennom cellens ildfaste bakvegg 8 og er forbundet med katodefleksibler 6 av aluminium via en stål/ Al-eksplosjonsforbindelse 5. Det ildfaste murverk er videre helt innesluttet i en stålmantel 7. Fig. 3 viser elektrolysør hvori er innmontert en modifisert utførelse av de utskiftbare katodeenheter, idet disse er forsynt med ytterligere en mellomliggende tverrkatode 3'

omtrent ved midten av hovedkatoden. Anodene 4 er oppslisset i det tilsvarende område hvor tverrkatodene forløper. Dette gir muligheter for en effektiv økning av elektrolyserommets bredde, idet katodenes mellomliggende tverrkatoder virker gjensidig avstøttende. Ved å ta i bruk enda flere tverrkatoder, kan prinsippet videreføres frem til en kvadratisk katodeboksutforming, hvori er innført tilsvarende kvadratisk utformede anodestaver. Som vist på Fig. 4, kan det benyttes

et antall kvadratiske anodestaver 4 som er innført i mellomrommene mellom tverrkatodene. Tverrkatodene er da plassert i en innbyrdes avstand tilnærmet lik avstanden mellom tilgrensende hovedkatoder. Herved fås et anode/katodesystem etter boksprinsippet med høy virkningsgrad og stor stabilitet.

De korte tverrkatoder 3,3' er festet til hovedkatoden 1 slik at de forløper vinkelrett på denne og avsluttes med rett avskårne endeflater.

Tverrkatodene er på tegningene gitt de samme tverrsnitts-dimensjoner som hovedkatoden. Det er skjedd mer tilfeldig og tverrsnittet kan varieres, men må dimensjoneres slik at de kan motstå mekaniske påkjenninger. Det må nemlig, til tross for spaltene mellom katodene, fortsatt regnes med at det kan forekomme tilløp til deformasjon av katodene, under cellens oppvarming til driftstemperatur så vel som ved varierende driftsforhold. Slike begynnende deformasjoner vil imidlertid bli effektivt stoppet ved den spesielt robust utformede tverrkatode med de rett avskårne endeflater som er beliggende rett overfor tilsvarende endeflater i nabokatodene. Det kan vanskelig gis helt klar angivelse av godstykkelser, avstanden mellom spaltene m.m. I praksis har vi benyttet spalteåpninger fra 2,5 til 5 mm og godstykkelser fra 20 til 50 mm. Disse spalteåpninger og godstykkelser er således foretrukne, men neppe kritiske.

I praksis vil det være ugjørlig å fremstille hovedkatode og tverrkatode med så høye toleranser at man sikrer en helt nøyaktig tilpasning og sammenfalling av tverrkatodenes endeflater etter varmeutvidelsen til praktiske driftsforhold. Imidlertid er dette heller ingen nødvendig forutset-ning fordi man ikke er avhengig av noen strømforbindelse gjennom tverrkatodene. Selv spalteåpninger på flere milli-meter vil ikke i vesentlig grad nedsette elektrolysetunk-sjonen.

En spesiell utforming av katodeenheten muliggjør etablering av strømførende forbindelser til katoden, uten at det er nødvendig å føre katodehalsene igjennom elektrolysørens bakvegg. En slik utforming vises på Fig. 5a og 5b. En avsluttende tverrkatode 3" er her festet til hovedkatodens bakre del i området ved cellens bakre stålmantel 7. Tverr-katoden 3" strekker seg opp forbi stålmantelens 7 øvre kant og er her forbundet med en katodefleksibel 6 på hensiktsmessig måte. Mellomrommene mellom de bakre tverrkatoder 3" og den vanlige funksjonelle tverrkatode 3 i elektrolyserommet, fylles opp med en spesiell stampemasse som hovedsakelig består av dødbrent MgO-pulver med spesielle til-setningsmidler. Når denne stampemasse oppvarmes, herder den og den utgjør derved en ildfast vegg mellom de funksjonelle bakre tverrkatoder 3 og cellens bakre stålvegg 7. På denne måte etableres en enkel og robust strømførende forbindelse til katodefleksiblene uten at det er nødvendig å føre katodehalsene gjennom cellens bakvegg. Dette gir en enklere celleoppbygging og montering av de utskiftbare katoder, samtidig som den mekaniske styrke av cellens bakvegg ikke blir nedsatt.

Ifølge en alternativ utforming kan cellens bakre stålmantel sløyfes helt i området for de avsluttende tverrkatoder 3". Derved vil tverrkatodene fungere som mantel i dette område. Dette gjør det unødvendig å føre tverrkatodene forbi stålmantelens øvre kant og katodehalsene kan festes til katodefleksibel 6 på konvensjonell måte. På grunn av at tverrkatodene 3" er strømførende, må de isoleres fra resten av stålmantelen og de må . avbindes i forhold til hverandre, f.eks. ved bruk av strekkbånd eller ved andre hensikts-messige avstivings- og festeanordninger.

Ovennevnte stampemasse kan også med fordel benyttes når samtlige typer katodeenheter innsettes, idet det ikke alltid vil være like lett å ha ildfast stein med de riktige di-mensjoner tilgjengelig. Når de utskiftbare katodeenheter monteres med relativt store spalter, kan det være fare for at stampemassen blir presset ut mellom spaltene der hvor avstandsstykkene ikke blokkerer. For å forhindre dette, kan det imidlertid settes inn noen tynne sperreplater, ca. 2 mm tykke, som dekker over spalteåpningene mellom tverrkatodene i bakveggen. Disse sperreplatene utsettes ikke for store mekaniske påkjenninger og deres eneste formål er å holde stampemassen på plass før den herdes.

Claims (10)

1. Utskiftbar katodeenhet egnet som modul for oppbygging av stabile, ikke deformerbare katodesystemer i elektro-lysører for fremstilling av magnesium ved smelteelektro-lyse, karakterisert ved at den består av en i det vesentlige rett, langsgående hovedkatode (1) med vertikale katodeflater og to kortere tverrkatoder (2) og . (3) anordnet i det vesentlige i rett vinkel i forhold til hovedkatoden, den ene (2) ved katodens forkant og den annen (3) ved katodens bakkant.

2. Utskiftbar katodeenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at de korte tverrkatoder (2) og (3) er anordnet symmetrisk i forhold til hovedkatoden (1) og ender i samme avstand fra hovedkatodens to sideflater.

3. Utskiftbar katodeenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at de korte tverrkatoder (2) og (3) er anordnet asymmentrisk og bare løper ut fra hovedkatodens ene sideflate.

4. Utskiftbar katodeenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at katoden er forsynt med en eller flere mellomliggende tverrkatoder (3') avpasset for å samvirke med tilsvarende tverrkatoder anordnet på tilgrensende hovedkatoder for oppbygging av et katodebokssystem.

5. Utskiftbar katodeenhet ifølge krav 4, karakterisert ved at avstanden mellom hver mellomliggende tverrkatode (3<1>) i det vesentlige tilsvarer avstanden mellom tilgrensende hovedkatodeflater i en ferdig oppbygget elektrolysør.

6. Elektrolysør med innmonterte katodeenheter ifølge krav 1 for smelteelektrolytisk fremstilling av magnesium, omfattende et elektrolyserom (11) og et metallrom (12) atskilt fra elektrolyserommet ved en langsgående skillevegg (10) med øvre åpninger for gjennomstrømning av metall/elektrolytt og nedre åpninger for tilbakeføring av elektrolytt til elektrolyserommet og med dobbeltvirkende langsgående anoder (4) og katoder (1) anordnet vekselvis i forhold til hverandre i elektrolyserommet, som er avgrenset av skilleveggen (10) , en bakre vegg (8) og to langsgående vegger (9), karakterisert ved at katodene omfatter fremre og bakre tverrkatoder (2) og (3) fast forbundet med en hovedkatode (1) og anordnet ved elektrolysørens skillevegg, henholdsvis ved elektrolysørens bakvegg, idet det mellom tverrkatodenes motstående endeflater er anordnet åpne i det vesentlige jevntykke spalter som bryter den mekaniske så vel som den strømførende forbindelse mellom tverrkatodene •

7. Elektrolysør ifølge krav 6, karakterisert ved at hovedkatodene (1) også er forsynt med en eller flere mellomliggende tverrkatoder (3') og at anodene (4) er oppdelt eller oppslisset i områdene for to motstående tilgrensende tverrkatoder (3'), hvorved det dannes et katodebokssystem med i boksene anordnede anoder (4).

8. Elektrolysør ifølge krav 7, karakterisert ved at de mellomliggende tverrkatoders (3') innbyrdes avstand på en og samme langsgående hovedkatode tilsvarer avstanden mellom to tilgrensende hovedkatodeflater, hvorved det dannes et hovedsakelig kvadratisk katodebokssystem med samvirkende kvadratiske anodestaver (4).

9. Elektrolysør ifølge krav.6, 7 eller 8, karakterisert ved at hver katode (1) er forsynt med en bakre eller ytre tverrkatode (3") anordnet utenfor elektrolysørens ildfaste bakvegg og grensende mot den ytre stålmantel/ hvilke tverrkatoder strekker seg opp over metallmantelens (7) overkant og er forbundet med en tilhørende katodefleksibel (6) uten å være ført gjennom elektrolysørens bakvegg.

10. Elektrolysør ifølge krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at hver katode (1) er forsynt med en bakre tverrkatode (3") som danner elektrolysørens ytre stålmantel.