NO143506B - Fremgangsmaate for tilfoersel av aluminiumoksyd til celler for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder mating av aluminiumoksyd

til celler for smelteelektrolyttisk fremstilling av aluminium etter Hall-Heroult og spesielt oksydmating fra celler med forbrente kullanoder hvor det er en spalt mellom anodene på tvers av cellens lengderetning.

Moderne celler eller elektrolyseovner for fremstilling av aluminium etter Hall-Heroult består av en rektangulær, lav, flat kasse av stålplater, utmurt med ildfast stein og foret med karbonblokker i sidene og bunnen. Karbonblokkene danner et kar for smelteelektrolytten. Karbonblokkene i.bunnen av karet er forsynt med grove stålskinner for elektrisk til-kobling til strømskinnene for elektrolysestrømmen, idet disse karbonblokkene danner katoden.

Smelteelektrolytten, som er lettere enn det flytende aluminium, består av smeltet kryolitt + diverse salter, f.eks. aluminiumfluorid og kalsiumfluorid samt aluminiumoksyd, som er det viktigste råstoff. Aluminiumoksydet forbrukes under elektrolysens gang og må derfor tilføres - innmates - nokså ofte. For å ha kontroll over smeltebadets sammensetning må det måles ut hvor mye oksyd som skal tilsettes hver gang.

Under drift er smeltebadet dekket av størknet smelte, en skorpe. Den beskytter mot varmetap, men er hard og må

derfor gjennombrytes med en skorpebryter for at oksydet kan komme ned i badet.

Ned i smeltebadet, med en temperatur på 95o-98o °C, stikker anoden av karbon. På anodens underside utvikles under drift karbondioksyd, slik at anoden derved forbrukes. Idet anoden tæres, øker avstanden mellom anoden og katodens overflate av flytende aluminium. For å holde interpolaravstanden konstant må anoden senkes jevnt, med små mellomrom. Anode-strømskinnen, som karbonanoden er festet til, er derfor koblet méd fleksible skinner til elektrolysestrømskinnene. Mekanisk er anodestrømskinnene hengt opp i jekker, drevet med elektriske eller pneumatiske motorer, som tillater opp-og nedkjøring av anodeskinnen i forhold til en faststående konstruksjon.

Elektrolyseovnene er seriekoblet, vanligvis omkring 16o ovner i serien med strømstyrker opp til 2oo.ooo ampere, -

stundom mer.

Vanligvis er ovnene stilt opp i parallelle rekker med ovnenes lengdeakse i ovnsrekkens akser, langsstilte ovner, men det forekommer også ovnsrekker hvor ovnene er tverrstilte, d.v.s. lengdeaksen av ovnen står vinkelrett på ovnsrekken.

Foreliggende oppfinnelse har størst betydning for langsstilte ovner.

Karbonanoden kan bestå av en såkalt selvbrennende anode, -

en Søderberg-anode - eller være bygget opp av flere parallell-koblede enkeltkull som er brent (kalsinert, stekt) på forhånd.

Foreliggende oppfinnelse gjelder spesielt for ovner med

t

ferdigbrente anodekull*

De elektromagnetiske forhold har avgjørende betydning for driften i celler ved de høye strømstyrker det her er tale om. Søkeren har arbeidet meget med disse spørsmål for å komme frem til en matematisk modell som tillater beregning av strømninger i metall og smelte for derved å kunne optima-lisere driftsforholdene. For disse arbeider kan det vises til foredrag "Numerical Calculation of Mass Convection Patterns in an Aluminium Reduction Cell", T.B. Mueller og

K.O. Solberg, Proceedings of Sessions lo2nd AIME Annual Meeting Chicago, Light Metals 1973 vol. I., p. 151-158.

Med basis i disse beregningsmåter har søkeren beregnet strømningsforholdene i en elektrolysecelle med forskjellig mønster for spalter mellom de enkelte anodekull, fordi oksyd-tilsetningen vanligvis gjøres i disse spalter.

Det vanlige mønster for plasering av enkeltanoder er i to rekker på hver side av ovnens lengdeakse. Mellom de to rekker anodekull er det en spalt som er større enn avstanden mellom kullene i hver rekke og i denne større, langsgående spalt er gjerne plasert et mateapparat for aluminiumoksyd,

se f.eks. Norsk Patent nr 1o2o76.

Det er også kjent å tilføre oksyd mellom anoder på tvers

av ovnens lengderetning, se f.eks. fransk patent 943 528. Oksydtilførselen skjer her automatisk fra en silo opphengt mellom anodene. Fra en åpning i bunnen av siloen faller oksydet ned på bunnen av elektrolysecellen. Der er det bygget opp en karm som hindrer det tilsatte oksyd å flyte utover. Overkant av karmen ligger under smelteelektrolyttens overflate, således at elektrolytten kan angripe oksydet og løse det opp. Etterhvert som oksydet blir oppløst, faller nytt oksyd ned og det oppnås således en kontinuerlig oksyd-tilførsel.

Konstruksjonen krever stor plass ikke bare mellom anodene, men også på katoden. Oppbyggingen av karmen som samler oksydet fra siloen betyr en vesentlig komplikasjon. Rent praktisk er den vanskelig å bygge og karbonmaterialet i karmen har liten slitestyrke, hvilket fører til kort levetid. Endelig vil det oppstå temperaturgradienter i katoden, som utvilsomt er uheldig. Strømfordelingen blir også ujevn. Såvidt vites er ikke konstruksjonen i bruk.

I tysk Offenlegungsschri ft nr. 21o7675 beskrives en noe endret utførelse for tilføring av aluminiumoksyd på tvers av cellens lengderetning. Det bygges her et forholdsvis stort traug på katoden - eventuelt flere traug - med kanter som rager opp over det utreduserte flytende metall. I trauget tilføres aluminiumoksyd således, at en avgrenset mengde fast aluminiumoksyd blir utsatt for flytende smeltebad og derved skulle det oppnås en kontinuerlig tilførsel av oppløst oksyd til hele smeiten.

Konstruksjonen lider av de samme svakheter som det ovenfor refererte franske patent.

Norsk patentsøknad 78.22o9 omhandler også oksydtilførsel i et betjeningsområde som strekker seg på tvers av ovnens lengderetning. Noen apparatur for gjennomføring av fremgangsmåten er ikke angitt.

Beregningene viser at strømningsbildet er gunstigere for oksydtilførsel på tvers av ovnen ved langsstilte ovner, se fig. 1, enn ved oksydtilførsel i en langsgående spalt, se fig. 2.

Spalt for oksydmating på tvers av anoden har flere fordeler. Det moment at spalten er kort fører til mindre varmetap enn ved en langsgående spalt, som vanligvis er henimot 3 ganger lengre.

Videre vil kapasiteten på en gitt katodekonstruksjon kunne økes, idet man kan lage anodekullene større og med samme anodiske belastning øke strømstyrken på ovnen.

Eventuelt kan man for samme ovnskapasitet velge en smalere katode, som kan bety andre fordeler, f.eks. lavere katodisk spenningstap.

En tverrgående spalt mellom anodekullene vil gi for lite rom til alt utstyr som trenges for oksydmateren. Utstyret omfatter oksydsilo, skuff som skal måle ut og fordele oksydet over hele spalten, skorpebryter som er nødvendig for å

bryte den størknede skorpe, samt organer for å drive dette utstyr.

Hvis oksydsiloen plaseres i ovnens lengderetning kan den gjøres betydelig større enn om den måtte stå over den tverrgående spalt.

Det er av betydning at denne forrådssilo ikke er for liten

- derved vil bufferkapasiteten bli større, hvilket betyr større sikkerhet ved eventuelle forstyrrelser i tilførings-systemet for oksyd. Det er nemlig absolutt nødvendig at elektrolyseovnen aldri mangler oksyd. Kommer oksydinnholdet i badet under ca 2 %, inntreffer anodeeffekt, som betyr at dén vanlige driftsspenningen på 4-5 volt plutselig øker til henimot det tidobbelte. Anodeeffekten er ønskelig med visse mellomrom', men må aldri vare' for lenge, og det må unngås at mange anodeeffekter opptrer samtidig på elektrolyse-serien. Det er derfor gunstig at det på hver ovn er montert oksydsilo og skorpebryter, for raskt å kunne tilføre oksyd ved bluss.

Matingssystemet og skorpebryteren kan bli styrt av det over-ordnede organ som overvåker og organiserer de forskjellige operasjoner ved den enkelte ovn og hele ovnsserien.

Oksydet må såvidt mulig ved mating fordeles jevnt over hele den tverrgående spalten.

Oppfinnelsen går nå ut på å tilføre oksyd i den tverrgående spalte fra en oksydsilo som står med sin lengste akse i ovnens lengderetning. Ifølge oppfinnelsen skjer det ved at fordelingsskuffen for oksyd etter at den er fylt fra siloen ved en utmatingstut som er nesten like lang som fordelingsskuffen, dreies 9o° i horisontalplanet til den kommer over den tverrgående spalt. Her tømmes fordelingsskuffen og dreies tilbake under siloen, klar til ny fylling.

Fordelingsskuffen med alle betjeningsorganer er bygget sammen med oksydsiloen til en enhet.

En annen enhet utgjøres av skorpebryterkniven med betjeningsorganer.

Begge disse enheter er montert på den permanente anode-konstruksjonen, og hver enhet er bygget opp således at enhetene enkelt kan løftes ut fra ovnen for eventuell reparasjon.

Den tverrstilte oksydmater med skorpebryter skal nå beskrives noe nærmere under henvisning til tegningene fig. 3, 4 og 5. Fig. 1 og 2 viser som allerede nevnt strømningsforholdene i smeltebad ved forskjellige anodemønstre. Fig. 3 viser anoden sett ovenfra, sammensatt av flere ferdigbrente karbonblokker 1, med den tverrgående spalt 2, oksydsilo 3 og fordelingsskuff 4. Fordelingsskuffen 4 er vist stiplet i posisjon for fylling av oksyd, mens den er vist helt opptrukket i posisjon for tømming over spalten 2. Anodestrømskinnene er market med 5.

På fig. 4 er fordelingsskuffen 4 under fylling, og på fig..5 er fordelingsskuffen 4 svinget tilside i tømmeposisjon over spalten 2. Oksydsiloen er nå stengt.

Skorpebryteren 6 er vist på fig. 4 og fig. 5.

Konvensjonelle trykkluftsylindere skaffer kraft til de forskjellige operasjoner.

Skorpebryteren 6 slår skorpen ned i nesten hele anodens bredde. Oksydskuffen 5 er noe kortere siden den skal svinge over anoden og må gå klar av hengerne (ikke vist på tegningen) .for anodekullene, men på grunn av rasvinkelen til oksydet, vil oksyd fordeles over hele den åpning som skorpebryteren frembringer.

Den oksydmengde som skuffen 4 kari romme er, som vist på fig. 4, bestemt av skuffens mål og oksydets rasvinkel og er således konstant. Når dette volum er.nådd, stenges utmatnings-åpningen.

For å kunne styre ovnsdriften er det vesentlig å ha kontroll med tilsatt mengde oksyd, hvilket oppnås med denne utmatning. Oksydet må såvidt mulig ved mating fordeles jevnt over hele den tverrgående spalten.

Oppfinnelsen går nå ut på å tilføre oksyd i den tverrgående spalte fra en oksydsilo som står med sin lengste akse i ovnens lengderetning. Ifølge oppfinnelsen skjer det ved at fordelingsskuffen for oksyd etter at den er fylt fra siloen ved en utmatingstut som er nesten like lang som fordelingsskuffen, dreies 9o° i horisontalplanet til den kommer over den tverrgående spalt. Her tømmes fordelingsskuffen og dreies tilbake under siloen, klar til ny fylling.

Fordelingsskuffen med alle betjeningsorganer er bygget sammen med oksydsiloen til en enhet.

En annen enhet utgjøres av skorpebryterkniven med betjenings^-organer.

Begge disse enheter er montert på den permanente anode-konstruksjonen, og hver enhet er bygget opp således at enhetene enkelt kan løftes ut fra ovnen for eventuell reparasjon.

Den tverrstilte oksydmater med skorpebryter skal nå beskrives noe nærmere under henvisning til tegningene fig. 3, 4 og 5. Fig. 1 og 2 viser som allerede nevnt strømningsforholdene i smeltebad ved forskjellige anodemønstre. Fig. 3 viser anoden sett ovenfra, sammensatt av flere ferdigbrente karbonblokker 1, med den tverrgående spalt 2, oksydsilo 3 og fordelingsskuff 4. Fordelingsskuffen 4 er vist stiplet i posisjon for fylling av oksyd, mens den er vist helt opptrukket i posisjon for tømming over spalten 2. Anodestrømskinnene er market med 5.

På fig. 4 er fordelingsskuffen 4 under fylling, og på fig. 5 er fordelingsskuffen 4 svinget tilside i tømmeposisjon over spalten 2. Oksydsiloen er nå stengt.

Skorpebryteren 6 er vist på fig. 4 og fig. 5.

Konvensjonelle trykkluftsylindere skaffer kraft til de forskjellige operasjoner.

Skorpebryteren 6 slår skorpen ned i nesten hele anodens bredde. Oksydskuffen 5 er noe kortere siden den skal svinge over anoden og må gå klar av hengerne (ikke vist på tegningen) .for anodekullene, men på grunn av rasvinkelen til oksydet vil oksyd fordeles over hele den åpning som skorpebryteren frembringer.

Den oksydmengde som skuffen 4 kan romme er, som vist på fig. 4, bestemt av skuffens mål og oksydets rasvinkel og er således konstant. Når dette volum er nådd, stenges utmatnings-åpningen.

For å kunne styre ovnsdriften er det vesentlig å ha kontroll med tilsatt mengde oksyd, hvilket oppnås med denne utmatning. Alt utstyr for oksydmateskuff og oksydsilo er montert på oksydsiloen. Denne er forsynt med flenser, se fig. 4 og fig. 5, som hviler på den faste anodekonstruksjon. Etter å ha koblet fra trykkluft og elektriske ledninger kan således hele enheten løftes opp i kran og kjøres ut ved eventuelle reparasjoner. Det er umiddelbart innlysende at det er fordel-aktig å kunne utføre slike arbeider borte fra den varme elektrolyseovnen, samtidig som ny oksydsilo med utstyr straks kan settes inn i den defektes sted.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for tilførsel av aluminiumoksyd til smeltebadet i en celle med forbrente karbonanoder for smelte-elektrolyttisk fremstilling av aluminium,karakterisert ved at aluminiumoksydet tilføres smelteelektrolytten fra en oksydfordelingsskuff som blir tilført oksyd mens skuffen befinner seg i fyllingsposisjon i et mellomrom mellom karbonanodene i cellens lengderetning, og at skuffen etter å ha blitt tilført oksyd, dreies i horisontalplanet til den befinner seg i et mellomrom mellom karbonanodene i cellens tverr-retning og der tømmes, hvorpå oksydfordelingsskuffen returneres til fyllingsposisjonen.