NO144359B

NO144359B - ALUMINUM ELECTROLYST OVEN WITH MULTIPLE VERTICAL ANODES AND A CATODO EXISTING CARBON BLOCKS WITH THE SAME ELECTRICAL CONDUCTIVITY

Info

Publication number: NO144359B
Application number: NO74741440A
Authority: NO
Inventors: Hubert Wittner
Original assignee: Alcan Aluminiumwerke
Priority date: 1973-03-31
Filing date: 1974-04-22
Publication date: 1981-05-04
Also published as: DE2316201C2; DE2316201A1; NO741440L; NO144359C

Description

Katoden i de vanlige tekniske elektrolyseovner for fremstilling av aluminium består som kjent av karbonblokker av lik elektrisk ledningsevne, hvori det er innstøpt stålbarrer for å lede elektrisk strøm. Elektrolysestrømmen fra anodene går vertikalt gjennom elektrolytten og blir ved innføring i det smeltede aluminiumsjikt som dekker karbon-katodeblokkene og som i forhold til karbonblokkene har en 2300 ganger bedre elektrisk ledningsevne, ført bort til elek-trolysecellens sidevegger, dvs. til uttreden av stålkatode-barrene fra katodeblokkene. Følgen herav er at elektrolyse-ovnsbunnen under anodene i området for ovnens midtre lengdeakse er elektrisk og termisk underbelastet, derimot elektrisk og termisk overbelastet i området for ovnens langsider. As is known, the cathode in the usual technical electrolysis furnaces for the production of aluminum consists of carbon blocks of equal electrical conductivity, in which steel ingots are embedded to conduct electrical current. The electrolysis current from the anodes passes vertically through the electrolyte and is, when introduced into the molten aluminum layer that covers the carbon cathode blocks and which, compared to the carbon blocks, has a 2300 times better electrical conductivity, led away to the side walls of the electrolysis cell, i.e. to the exit of the steel cathode ingots from the cathode blocks. The consequence of this is that the electrolysis furnace bottom under the anodes in the area of the furnace's central longitudinal axis is electrically and thermally underloaded, but electrically and thermally overloaded in the area of the furnace's long sides.

Det er videre kjent at innføring av aluminiumoksyd i elektrolyseovnene kan foregå såvel langs ovnens langsider som også i området for ovnens midtre lengdeakse. Ved en elektrolyseovn med langsidebetjening kompenseres den termiske overbelastning i området for ovnens langsider ved forbruk av aluminiumoksyd-oppløsningsvarme, således at det fremkommer et temperaturfall fra ovnsmidten til ovnens langsider. Ved ovnens langsider danner det seg derved en skorpe av stivnet elektrolytt som beskytter karbonsideveggene av ovnen mot de korrosive smeltede elektrolytter. Skorpetykkel-sen avhenger herved av forskjellige parametre, f.eks. den til-satte aluminiumoksydmengde pr. tidsenhet. Uten det nettopp nevnte beskyttelsessjikt er det ikke mulig med noen elektro-lysedrift over lengere tid. It is also known that the introduction of aluminum oxide into the electrolysis furnaces can take place both along the long sides of the furnace and also in the area of the furnace's central longitudinal axis. In the case of an electrolysis furnace with long-side operation, the thermal overload in the area of the long sides of the furnace is compensated by consumption of aluminum oxide dissolution heat, so that a temperature drop occurs from the center of the furnace to the long sides of the furnace. At the long sides of the furnace, a crust of solidified electrolyte forms thereby protecting the carbon side walls of the furnace from the corrosive molten electrolytes. The crust thickness thus depends on various parameters, e.g. the added amount of aluminum oxide per unit of time. Without the protective layer just mentioned, it is not possible to operate any electro-lighting over a longer period of time.

US-patent nr. 3.390.071 vedrører en helt vanlig elektrolysecelle hvor det i stedet for vanlig stålkatodebarrer er anvendt slike av Cu med 0,04% 0. US patent no. 3,390,071 relates to a completely ordinary electrolysis cell where, instead of ordinary steel cathode bars, ones made of Cu with 0.04% 0.

Det er funnet at ovngass f.eks. H diffunderer inn i Cu og derved ødelegges forbindelsen grafitt-katode-blokk-katodebarr. It has been found that furnace gas e.g. H diffuses into Cu and thereby destroys the connection graphite-cathode-block-cathode bar.

Det ble funnet at den ovennevnte ødeleggelse It was found that the above destruction

lar seg unngå ved at det anvendes høyrent absolutt 0-fritt Cu som er kjent under handelsbetegnelsen OFHC brent kopper (oksygen-free high conductivity). can be avoided by using highly pure absolutely 0-free Cu, which is known under the trade name OFHC burnt copper (oxygen-free high conductivity).

Dessuten vedrører patentet å utstyre katode blokkene for opptak av katodebarrene av Cu med boringer som enten er glatte eller også har en innskåret gjenge. Furthermore, the patent relates to equipping the cathode blocks for receiving the cathode ingots of Cu with bores that are either smooth or also have an incised thread.

Fra norsk patent nr. 108 423 svarende til fransk patent nr. 1 336 737 er det kjent en rund-elektrolyseovn av typen VS, dvs. det dreier seg om en elektrolyseovn med Søderberg-elektrode og vertikal strømmatning. I dette patent omtales intet om den rettede avledning av katodestrømmen tilpasset elektrolysens spesielle krav slik det foregår ifølge oppfinnelsen. Patentet er basert på at opptreden av mekaniske spenninger unngås i katoden. From Norwegian patent no. 108 423, corresponding to French patent no. 1 336 737, a round electrolytic furnace of the VS type is known, i.e. it is an electrolytic furnace with a Søderberg electrode and vertical power supply. In this patent, nothing is mentioned about the directed diversion of the cathode current adapted to the special requirements of electrolysis as it takes place according to the invention. The patent is based on the prevention of mechanical stresses in the cathode.

I henhold til oppfinnelsen står katoden av vanlige elektrisk ledende C-katodeblokker. Disse er aviso-lert elektrisk således med elektrisk ikke-ledende keramikkblokker at elektrolysestrømmen med midtbetjente elektrolyseovner avbøyer og avleder mot innslagsspalten i ovnsmidten ved sidebetjente elektrolyseovner avbøyes og avleder opp mot sideinnslagsspalten. Herved oppnås at katoden bare på-kjennes med elektrisk strøm for varmefrembringelse der hvor man behøver dette for oppløsning av Al-oksydet i elektrolytten. Ved denne målrettede varmefrembringing på behovs-stedene skal det oppnås at det sikkert unngås en skorpedann-else som i løpet av elektrolysen fører til katodeødeleggelse på grunn av ujevn strømfordeling. According to the invention, the cathode consists of ordinary electrically conductive C-cathode blocks. These are insulated electrically with electrically non-conducting ceramic blocks so that the electrolysis current with center-operated electrolysis furnaces deflects and diverts towards the weft slot in the middle of the furnace, with side-operated electrolysis furnaces it is deflected and diverts up towards the side weft slot. Hereby it is achieved that the cathode is only subjected to electric current for heat generation where this is needed for dissolution of the Al oxide in the electrolyte. With this targeted generation of heat at the places of need, it must be achieved that crust formation is certainly avoided which, during the electrolysis, leads to cathode destruction due to uneven current distribution.

I ovennevnte norske resp. franske patent består katoden av keramikkblokker som så vel kan være elektrisk ledende som også ikke-ledende. Den geometriske ut-forming av katoden har ikke til gjenstand den rettede avledning av den katodiske elektrolysestrøm, men er bare anlagt mot at det unngås opptreden av mekaniske spenninger. Som ved vanlige elektrolyseovner blir den fra den ringformede utformede anode utgående strøm ført gjennom elektrolytten, trer inn i katodemetallet og avledes i dette til rundovnens sidevegg. Rundovnens sidevegg består av vanlige C-katodeblokker, i spesielle tilfeller også grafitt. I denne rund-C-katode er det innsatt en stålsylinder som ved vanlige elektrolyseovner er sammenlignbar med stålkatodebarrer for bortføring av katodestrømmen. In the above-mentioned Norwegian or French patent, the cathode consists of ceramic blocks which can be electrically conductive as well as non-conductive. The geometric design of the cathode does not aim at the directed diversion of the cathodic electrolysis current, but is only designed to avoid the occurrence of mechanical stresses. As with ordinary electrolysis furnaces, the outgoing current from the ring-shaped anode is led through the electrolyte, enters the cathode metal and is diverted in this to the side wall of the round furnace. The side wall of the round furnace consists of normal C-cathode blocks, in special cases also graphite. In this round C-cathode, a steel cylinder is inserted which, in ordinary electrolysis furnaces, is comparable to steel cathode bars for carrying away the cathode current.

I henhold til dette norske resp. franske patent dreier det seg ikke om å føre elektrolysestrømmen tilsvarende elektrolyseprosessen spesifikke krav således at det frembrin-ges varme der hvor dette er nødvendig for oppløsning av Al-oksydet og dets spaltning. According to this Norwegian or French patent, it is not about conducting the electrolysis current corresponding to the specific requirements of the electrolysis process so that heat is produced where this is necessary for the dissolution of the Al oxide and its decomposition.

Målsetningen ved ovennevnte patent er mer unn-gåelse av termiske spenninger i katoden og betinget herved økning av katodelevetiden. The aim of the above-mentioned patent is more avoidance of thermal stresses in the cathode and conditional increase of the cathode lifetime.

I henhold til oppfinnelsen ansees slike mekaniske spenninger som normale. Det gåes ifølge oppfinnelsen ut fra at ved katode-' og oynskarkonstruksjonen er de i katoden opp-tredende mekaniske spenninger herskbare. Ifølge oppfinnelsen skal det oppnås en rettet strømstrømning som målrettet trer inn i C-katoden der og frembringer varme der hvor Al-oksydet innføres i elektrolytten. Ved midtbetjente ovner er dette flaten av innslagsspalten mellom anodene, ved sidebetjente ovner er dette sidene som dannes av anodens ytter-kanter og ovnskarets sidekant. According to the invention, such mechanical stresses are considered normal. According to the invention, it is assumed that with the cathode and mirror construction, the mechanical stresses occurring in the cathode are controllable. According to the invention, a directed current flow is to be achieved which purposefully enters the C cathode there and produces heat where the Al oxide is introduced into the electrolyte. In the case of center-operated furnaces, this is the surface of the weft gap between the anodes, in the case of side-operated furnaces, these are the sides formed by the outer edges of the anode and the side edge of the furnace tray.

I henhold til US-patent nr. 3 321 39 2 anføres heller ingen rettet katodisk avledning av elektrolysestrømmen. Ifølge dette patent skal det heller oppnås at varme- og skrumpspenninger unngås sikkert i katoden og at herved at katodens ovnslevetid forbedres. I henhold til dette amerikanske patent v±l man oppnå dette ved at man i en vanlig av C-katodeblokker oppbygget katode innsetter kjerner av Ti-diborid som er elektrisk ledende og har forbindelse med den vanlige stålkatodebarre. Disse Ti-diborid-kjerner dekkes av smelteflytende katodealuminium og besørger avledning av katodestrømmen. According to US patent no. 3 321 39 2, no directed cathodic diversion of the electrolysis current is stated either. According to this patent, it should rather be achieved that heat and shrinkage stresses are safely avoided in the cathode and that thereby the cathode's furnace life is improved. According to this American patent, this can be achieved by inserting cores of Ti-diboride which are electrically conductive and are connected to the usual steel cathode bar in a normal cathode made up of C cathode blocks. These Ti-diboride cores are covered by molten cathode aluminum and provide diversion of the cathode current.

I henhold til dette amerikanske patent er C-katodeblokkene ikke påkjent med elektrisk strøm. Derfor kan det i disse heller ikke oppstå varmespenninger. Bort-føringen av katodestrømmen foregår punktformet over de ovennevnte Ti-diborid-kjerner. According to this US patent, the C-cathode blocks are not charged with electric current. Therefore, heat stress cannot occur in these either. The removal of the cathode current takes place in a point-like manner over the above-mentioned Ti-diboride cores.

Ved elektrolyseovner med aluminiumoksydchargering i ovnens midtre lengdeakse virker økningen av den katodiske strømtetthet langs ovnens langsider helt termisk, i mot-setning til den ovennevnte aluminiumoksyd-langsidæhargering har man her et temperaturfall fra ovnens langsider tiibvns-midtaksen. Dette betyr at denne ovn med tilsetning av.Al2^3langs midten pr. grunn av manglende forbruk av aluminiumoksyd-oppløsningsvarme i området for ovenslangsider har en høyere temperatur enn i området for ovnsmidtaksen. karbonlang-siden av elektrolyseovnen kan det ikke eller bare vanskelia dannes et beskyttende sjikt av stivnet elektrolytt. In electrolytic furnaces with aluminum oxide charging in the middle longitudinal axis of the furnace, the increase in the cathodic current density along the long sides of the furnace acts entirely thermally, in contrast to the above-mentioned aluminum oxide long-side charging, here there is a temperature drop from the long sides of the furnace to the middle axis. This means that this oven with the addition of Al2^3 along the middle per due to lack of consumption of aluminum oxide dissolution heat in the area of the furnace tube sides has a higher temperature than in the area of the furnace center axis. carbon long side of the electrolytic furnace, a protective layer of solidified electrolyte cannot or only with difficulty form.

Det foreligger derfor den oppgave å finne midler og måter med hvis hjelp den katodiske strømfordeling kan på-virkes i aluminium-elektrolyseovner således at de omtalte vanskeligheter unngås og den som erosjonsbeskyttelse nød-vendige dannelse av elektrolyttskorpen foregår i den ønskede form. There is therefore the task of finding means and ways with the help of which the cathodic current distribution can be influenced in aluminum electrolysis furnaces so that the mentioned difficulties are avoided and the formation of the electrolyte crust necessary for erosion protection takes place in the desired form.

Oppfinnelsen vedrører altså en aluminium-elektrolyseovn med flere vertikale anoder og en katode bestående av karbonblokker med samme elektriske ledningsevne, hvor katodeoverflaten ligger under den for strømgjennomgang bestemte The invention therefore relates to an aluminum electrolysis furnace with several vertical anodes and a cathode consisting of carbon blocks with the same electrical conductivity, where the cathode surface lies below that determined for current passage

anodeflate og hvor det er anordnet ifyllingsåpninger for anode surface and where filling openings are provided for

aluminiumoksyd langs ovnens langside eller nær ovnens lengdeakse, idet ovnen erkarakterisert vedat de deler av katodeoverflaten som vender mot anoden, og som ikke ligger i loddrett retning under ifyllingsstedet for aluminiumoksyd, er dekket med et sjikt 9,18 av ikke ledende materiale, hvis termiske utvidelseskoeffisient tilsvarer katodematerialets termiske utvidelseskoeffisient. aluminum oxide along the long side of the furnace or close to the longitudinal axis of the furnace, the furnace being characterized in that the parts of the cathode surface which face the anode, and which do not lie in a vertical direction below the place of filling of aluminum oxide, are covered with a layer 9.18 of non-conductive material, whose coefficient of thermal expansion corresponds to the thermal expansion coefficient of the cathode material.

Oppfinnelsens gjenstand skal å forklares nærmere under henvisning til tegningens fig. 1 og 2, som begge viser et tverrsnitt gjennom en elektrolyseovn. The object of the invention shall be explained in more detail with reference to the drawing's fig. 1 and 2, both of which show a cross-section through an electrolytic furnace.

Ved den på fig. 1 viste utførelsesform ifølge oppfinnelsen foregår aluminiumoksydchargeringen gjennom tilsetningsrør 7 langs ovnens langside. Under det dekkende og kontinuerlig eller porsjonsvis innbragte aluminiumoksyd-sjikt 6 befinner den smeltede elektrolytt 3 seg og derunder det smeltede aluminiumsjikt 4. Anoden er på den skjematiske tegning betegnet med referansetall 1, katoden med 2 og stålbarrene som ligger på ovnsbunnen 11 med 10. Det elektrisk-ikke-ledende sjikt 9, som ifølge oppfinnelsen dekker katoden 2, bevirker at den samlede elektrolysestrøm tilsvarende pilene 5 bøyes til siden og den derved frigjorte varme for oppløsning og reduksjon av innbragt aluminiumoksyd oppbrukes så vidt at det kan danne seg detønskede sideveggsbeskyttel-sessjikt 8 av stivnet elektrolytt, nemlig av tykkelse tilpasset elektrolyseovnens termiske likevekt. At the one in fig. 1 embodiment according to the invention, the alumina charging takes place through the addition pipe 7 along the long side of the furnace. Beneath the covering and continuously or portionwise introduced aluminum oxide layer 6 is the molten electrolyte 3 and below that is the molten aluminum layer 4. In the schematic drawing, the anode is denoted by the reference number 1, the cathode by 2 and the steel ingots that lie on the furnace bottom 11 by 10. electrically non-conductive layer 9, which according to the invention covers the cathode 2, causes the overall electrolysis current corresponding to the arrows 5 to be deflected to the side and the thereby released heat for dissolution and reduction of introduced aluminum oxide is used up to the extent that the desired side wall protection layer can be formed 8 of solidified electrolyte, namely of a thickness adapted to the thermal equilibrium of the electrolysis furnace.

På fig. 2 vises tverrsnitt av en elektrolyseovn med aluminiumoksydchargering i området for ovnens midtre lengdeakse. Ved en slik beskikning må ovnens langsider av-lastes elektrisk og således termisk til gunst for den katode-flate som befinner seg under anoden. Mellom anodene 12 er det med referansetall 20 antydet en aluminiumoksydsilo, hvorfra aluminiumoksydet innføres i elektrolyseovnen kontinuerlig eller porsjonsvis og danner dekksjikt 22. Elektrolytten er vist med referansetall 15, det smeltede aluminium med 16, katoden med 13 og stålbarrene med 14. Med 23 er det betegnet ovnsbunnen. 21 viser en skorpebryter til oppbrekking av elektrolyttskorpen. Med 18 er det betegnet katodeisoleringen ifølge oppfinnelsen som tvinger elektrolysestrømmen til å gå loddrett gjennom den katodiske karbonblokk. Derved oppnås at det i elektrolyseovnen innstiller seg et for elektrolyseprosessen gunstig temperaturfall, som faller fra ovnsmidten til langsiden. Den varme som dannes ved strømgjennomgangen bare under anodene forbrukes stadig i form av spaltnings- In fig. 2 shows a cross-section of an electrolysis furnace with alumina charging in the area of the furnace's central longitudinal axis. With such a coating, the long sides of the furnace must be relieved electrically and thus thermally in favor of the cathode surface which is located below the anode. Between the anodes 12, reference number 20 indicates an aluminum oxide silo, from which the aluminum oxide is introduced into the electrolysis furnace continuously or in portions and forms cover layer 22. The electrolyte is shown with reference number 15, the molten aluminum with 16, the cathode with 13 and the steel ingots with 14. With 23, it is denoted the bottom of the oven. 21 shows a crust breaker for breaking up the electrolyte crust. 18 denotes the cathodic insulation according to the invention which forces the electrolytic current to pass vertically through the cathodic carbon block. Thereby, it is achieved that a temperature drop favorable for the electrolysis process occurs in the electrolysis furnace, which falls from the center of the furnace to the long side. The heat generated by the flow of current just under the anodes is constantly consumed in the form of decomposition

og oppløsningsvarme av aluminiumoksyd og ved ovnens langsider innstiller det seg en så lav temperatur at det herpå danner seg et beskyttelsessjikt 19 av stivnet elektrolytt, hvis tykkelse er bestemt av elektrolyseovnens termiske likevekt . and heat of dissolution of aluminum oxide and at the long sides of the furnace such a low temperature is established that a protective layer 19 of solidified electrolyte forms on it, the thickness of which is determined by the thermal equilibrium of the electrolysis furnace.

At elektrolysedriften kan forbedres ved aluminium-elektrolysen og gjøres mere driftssikker ved sammensetning av elektrisk ledende karbonblokker og elektrisk-ikke-ledende keramikk, må ansees som overraskende og medfører et betrakte-lig teknisk fremskritt. That the electrolytic operation can be improved by aluminum electrolysis and made more operationally reliable by the composition of electrically conductive carbon blocks and electrically non-conductive ceramics, must be regarded as surprising and entails considerable technical progress.

Claims

Aluminum electrolysis furnace with several vertical anodes and a cathode consisting of carbon blocks with the same electrical conductivity, where the cathode surface lies below the anode surface determined for current passage, and where filling openings for aluminum oxide are arranged along the long side of the furnace or near the longitudinal axis of the furnace, characterized by the fact that they form part of the cathode surface which faces the anode, and which is not located in a vertical direction below the aluminum oxide filling point, is covered with a layer (9, 18) of non-conductive material, whose coefficient of thermal expansion corresponds to the thermal expansion coefficient of the cathode material.