NO144359B - Aluminium-elektrolyseovn med flere vertikale anoder og en katode bestaaende av karbonblokker med samme elektriske ledningsevne - Google Patents

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.

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.

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.

Det er funnet at ovngass f.eks. H diffunderer inn i Cu og derved ødelegges forbindelsen grafitt-katode-blokk-katodebarr.

Det ble funnet at den ovennevnte ødeleggelse

lar seg unngå ved at det anvendes høyrent absolutt 0-fritt Cu som er kjent under handelsbetegnelsen OFHC brent kopper (oksygen-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.

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.

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.

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.

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.

Målsetningen ved ovennevnte patent er mer unn-gåelse av termiske spenninger i katoden og betinget herved økning av katodelevetiden.

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.

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.

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.

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.

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.

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

anodeflate og hvor det er anordnet ifyllingsåpninger 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.

Oppfinnelsens gjenstand skal å forklares nærmere under henvisning til tegningens fig. 1 og 2, som begge viser et tverrsnitt gjennom en elektrolyseovn.

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.

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-

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 .

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.

Claims (1)

1. Aluminium-elektrolyseovn med flere vertikale anoder og en katode bestående av karbonblokker med samme elektriske ledningsevne, hvor katodeoverflaten ligger under den for strømgjennomgang bestemte anodeflate, og hvor det er anordnet ifyllingsåpninger for aluminiumoksyd langs ovnens langside eller nær ovnens lengdeakse,karakterisert 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 .