NO145155B - Anordning til aa fange opp petroleum etter en blow-out paa sjoebunnen. - Google Patents

Description

Elektrolyttisk celle for fremstilling av aluminium.

Foreliggende oppfinnelse angår forbedringer ved elektrolyttiske celler for fremstilling av aluminium, og særlig slike celler som omfatter tungtsmeltelige hårdmetall-strømledende legemer.

Anvendt her betyr uttrykket «tungtsmeltelige hardmetaller» materialer som har lav elektrisk motstandsevne, lav opp-løselighet i smeltet aluminium og smeltet elektrolytt under celle-driftsbetingelsene, er fuktbare av smeltet aluminium under celledriften og har god stabilitet under de betingelser som eksisterer ved katoden i reduksjonscellen. Det foretrukne tungtsmeltelige hårdmetallmateriale for i det minste den del av overflaten på et slikt element som er i kontakt med det smeltede aluminium består vesentlig av minst ett av karbidene eller boridene av titan, zirkonium, tantal og niob eller blandinger av disse. Slike materialer er funnet å opp-vise alle eller praktisk talt alle ovennevnte egenskaper.

Uttrykket «bestående vesentlig av» som er anvendt i det følgende betyr at det

tungtsmeltelige hårdmetallmateriale som er referert til ovenfor ikke innholder andre stoffer i slike mengder at de påvirker den ønskede karakteristikk for materialet, skjønt andre stoffer kan være til stede i mindre mengder, hvis disse ikke påvirker de ønskede egenskaper, for eksempel små mengder oksygen, nitrogen, titan, nitrid og jern.

Det er tidligere foreslått bruk av ka-todisk strømledende tungtsmeltelige hardmetaller i aluminiumreduksjonsceller hvor 1) Det tungtsmeltelige hårdmetallelement strekker seg horisontalt gjennom den vertikale sidevegg i reduksjonscellen og stikker ved sine indre ender inn i det smeltede aluminiumlag 2) de tungtsmeltelige hårdmetallelementer er anbragt langs sidene på hulrommet eller kammeret i cellen og kommer inn i cellen gjennom toppen ved den størk-nede skorpe og smeltet elektrolytt og ender med sine nederste ender i en kort avstand over bunnen på cellen og 3) de tungtsmeltelige hårdmetall-strømledende elementer er anbragt verti-kalt og innført i det smeltede metallag gjennom bunnen av elektrolyttcellen.

De ovenfor beskrevne anordninger for tungtsmeltelige strømledende katode-elementer har, selv om de betyr forbedringer like overfor de tidligere kjente karbon-lelektrodeceller, visse ulemper ved celledriften. Brudd i elementene ved behand-ling under raking, ved påkjenninger på grunn av vedhengende skorpe under ano-dereguleringer eller ved deformering av cellestruktur som bærer elementene, ut-gjør et betydelig problem når det anvendes tungtsmeltelige hårdmetallelementer. Ovnskonstruksjonen skal være slik at de tungtsmeltelige hårdmetallelementer underkastes minimal mekanisk påkjenning fra forskyvning i ovnsforingsstrukturen under ovnsdriften. Videre er slike elementer som skal motstå mekanisk håndtering og påkjenning som er av den størrelse som finnes i elektrolyttisk reduksjonscelledrift forholdsvis vanskelig å fabrikere.

Et annet problem med tungtsmeltelige hårdmetallelementer som er anvendt som foreslått ovenfor er behovet for å holde de katodiske elementer og katodemetallaget i direkte kontakt med hverandre. Hvis var-meutvekslingen i en spesiell del av celle-hulrommet reduseres til under det norma-le, kan det vokse opp en rygg av størknet elektrolytt på veggene og bunnen på hulrommet omkring denne del og denne rygg kan omhylle og dekke eventuelle elementer som er nær denne og bryter derved kontakten mellom elementene og metall-laget. For å hindre avbrytelse av kontakten mellom elementene av metall er det nødvendig å hindre slammet eller opp-slammingen (en løs blanding av uoppløst aluminiumoksyd og størknet elektrolytt som synker gjennom katodemetallaget)1 fra å bygge seg opp under katodemetallaget og avbryte katodeoverflaten, slik at det in-terfererer med den nødvendige strømflyt. Denne oppbygning hindres ved periodisk rakning og fornyet dispergering av det således dannede slam eller oppslamming.' Cellekonstruksjoner som omfatter hori-sontale sideinngående elementer som i (1) ovenfor har oppvist vanskeligheter med slam under katodemetallaget og med for stor ryggdannelse av størknet bad som om-hyller katodeelementene. Videre kreves det forholdsvis lange stykker av tungtsmeltelige hårdmetallmaterialer i alle de tre ovennevnte anordninger (horisontal side-inngang, toppinngang og bunninngangs elementer) på grunn av den tykke isolasjon og celleforing på side og bunn som er nødvendig i vanlige reduksjonsovner for å bære det smeltede kryolittbad og aluminium gjennom- hvilke elementene må pas-sere. I celler med toppinnføring og katodeelementer langs sideveggene av cellen (2 ovenfor) kan elementene påvirke normal celledrift, særlig med innbrytning av skorpen på sidene av hulrommet. Videre medfører innføring av stengene gjennom skorpen ekstra risiko for brudd i de tungtsmeltelige katodeelementer av hardmetall, hvilket vil nødvendiggjøre utbytting av katodeelementene. I celler med bunninngå-ende katodiske elementer (3 ovenfor) kan elementene lett ødelegges under rakning. Dertil kommer ulempen med for store lengder som kreves for å trenge gjennom celleisolasjon og foring og det skal også bemerkes at fabrikasjonen av tungtsmeltelig hårdmetallelementer i de lengder som kreves for innføring i toppen eller innfør-ing i siden horisontalt og i bunnen, er forholdsvis vanskelig og meget kostbar.

På grunn av at disse tungtsmeltelige hardmetaller i seg selv er kostbare, er et av hovedproblemene ved konstruksjons-og reduksjonsceller hvor det anvendes tungtsmeltelige strømledende elementer av lettmetall å være i stand til å utnytte en minst mulig mengde tungtsmeltelig hårdmetallmateriale og fremdeles oppnå maksimum av fordeler ved å anvende disse materialer som katodeelementer. Dertil kommer at disse tungtsmeltelige hårdmetallmaterialer er sprø og medfører et problem ved ovnskonstruksjonen. Ovnskonstruksjonen skal være slik at det tungtsmeltelige hårdmetallelement underkastes minimale mekaniske påkjenninger. Det tungtsmeltelige hårdmetalls tendens til isolasjon og korrosjon av elektrolytten medfører videre restriksjoner ved ovnskonstruksjonen for å oppnå en minimal oksydasjon av elementene. Det tungtsmeltelige strømledende element av hårdmetall skal også fjernes fra arbeidsområdet hvorved mekanisk påkjenning er uunn-gåelig. Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe en forbedret elektrolyttisk celle for fremstilling av aluminium hvor de ovenfor nevnte ulemper nedsettes.

Ifølge foreliggende oppfinnelse består den elektrolytiske celle for fremstilling av aluminium, av et reduksjonskammer beregnet til å oppta smeltet aluminium og av et katodekammer, hvor katodekammeret er skilt fra reduksjonskammeret ved hjelp av en elektrisk ikke-ledende vegg av tungtsmeltelig materiale og hvor katodekammeret er beregnet til å oppta smeltet metall, hvilke to kammere ikke står i noen fysisk kontakt med hverandre, men i elektrisk kontakt ved hjelp av minst ett tungtsmeltelig, elektrisk ledende legeme, således at smeltet aluminium i reduksjonskammeret kommer i elektrisk kontakt med det smeltede metall i katodekammeret, og hvor det er anordnet katodestrømførende ledninger for elektrisk kontakt med det smeltede metall i katodekammeret.

En celle ifølge foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å anvende korte lengder av tungtsmeltelig hårdmetallmateriale for strømledende legemer i den tungtsmeltelige vegg. Dertil kan katodiske tungtsmeltelige hårdmetalledende ledninger strekke seg inn i det smeltede aluminium anbragt i katodekammeret mens de holdes ute av den del av den elektrolyttiske celle hvor de ville bli utsatt for forholdsvis høye tempe-raturer. Egnede forbindelser til elementene med aluminium eller annet metall, forbindelser med kapsler og katodestenger, kan gjøres i de områder som har lavere temperatur hvor betingelsene er mindre voldsomme, slik at det videre nedsetter strukturelle feil og sjanser til driftsbrudd til et minimum. Metallet i katodekammeret holdes ved en betydelig lavere temperatur enn i cellen, det vil si lavere enn ca. 1065° C, fortrinnsvis 660—950° C, hvilket videre tjener til å redusere korrosjon på den tungtsmeltelige hårdmetallstrømled-ning. Imidlertid oppnås det vesentlige fordeler selv om katodekammeret holdes på samme temperatur som reduksjonskammeret, idet de strømførende anordninger ik-ke blir utsatt for korrosjon fra den hele saltelektrolytt. Det tungtsmeltelige hård-metallegeme eller legemer har form som mursten eller halve mursten og er innført i den tungtsméltelige skillevegg, og det er særlig kraftig og mindre utsatt for termiske sjokk og mekaniske påkjenninger på grunn av den mere kompakte form.

Problemet med slam og liknende og brooppbygning elimineres lett i cellekonstruksjonen ifølge foreliggende oppfinnelse på grunn av den lette adkomst til de tungtsmeltelige hårdmetalloverflater for mekanisk verktøy. Slam éller liknende og/ eller bro eller kanter kan fjernes mekanisk med stenger, raker eller spesielle kon-struerte verktøy uten fare for ødeleggelse av de tungtsmeltelige hårdmetallegemer. Videre kan de tungtsmeltelige hårdmetall-legemer innføres i skilleveggen i overens-stemmelse med den beste termiske konstruksjon for å sikre lokalisering av var-megenerering. Det kaldere metall i katodekammeret er fri for elektrolyttbad og skaffer en utmerket kollektor hvorfra strømmen fjernes til katodeskinnen.

Metallet i katodekammeret utgjøres enklest av aluminium, men man kan også bruke aluminiumrike legeringer, f. eks. en kobberlegering inneholdende 30 pst. Al.

I det følgende vil det bli beskrevet no-en utførélseseksempler av oppfinnelsen idet det vises til tegningen hvor

Figur 1 er en del av et lengdesnitt av en elektrolyttisk reduksjonscelle ifølge oppfinnelsen og viser stillingen av den tungtsmeltelige veggkonstruksj on med hensyn til katodekammeret og elektrolyttisk reduksjonskammer. Figur 2 er et frontoppriss av den tungtsmeltelige veggkonstruksj on, som vist på figur 1, og angir stillingen for de tungtsmeltelige hårdmetallegemer inne i veggen. Figur 3 er en del av et grunnriss av cellen ifølge figur 1 og Figur 4 er en del av et grunnriss i lik-het med figur 1 og viser en modifikasjon.

I det eksempel som er vist på figur 1 omfatter en elektrolyttisk reduksjonscelle

som generelt er angitt med 10 et metallisk hylster 11, for eksempel av stål, hvori det er anbragt en isolerende foring 12 som kan være av et hvilket som helst ønsket isola-sjonsmateriale, slik som aluminiumoksyd, bauxitt, leire eller aluminiumsilikat. I iso-lasjonen 12 er anbragt en tungtsmeltelig cellef6ring 13 som kan være av et hvilket som helst ønsket materiale, for eksempel karbon, aluminiumoksyd, smeltet aluminiumoksyd, silisiumkarbid, silisiumnitrid, bundet silisiumkarbid eller annet ønskelig materiale. For det meste er f6ringen laget av et antall karbonblokker eller en stampet karbonblanding eller en kombinasjon av en stampet karbonblanding for bunnen eller gulvet av f6ringen med side- og ende-vegger konstruert av blokker av karbon. Som et alternativ kan side- og endeveg-gene være konstruert av silisiumkarbid-blokker eller annet egnet materiale. F6r-ingen 13 omgir et hulrom eller kammer hvori det er anbragt en dam eller lag av smeltet aluminium 14 som vanligvis kalles en «metallpute». Anbragt i kammeret i kontakt med aluminiumlaget 14 er det og-så anordnet et legeme eller lag 15 av smeltet elektrolytt, for eksempel kryolitt. Den smeltede elektrolytt 15 er dekket av et fast lag 16 som består vensentlig av størknet elektrolytt og ekstra aluminiumoksyd. Et-tersom aluminiumoksyd forbrukes i elektrolytten 15 brekkes den størknede skorpe og mere aluminiumoksyd mates inn i elektrolytten. Anbragt i det minste delvis i kammeret og delvis neddyppet i elektrolytten 15 er ferdigbakte karbonanoder 17. Selv om det er vist bakte karbonanoder kan det anvendes enten ferdigbakte eller selvbakende anoder som er kjent på dette område. Hver ende 17 er forbundet ved hjelp av egnede anordninger (ikke vist) med den positive pol på en kilde av elektro-lysestrøm. En kant eller rygg 20 som er en forlengelse av skorpen 16 består av størk-net elektrolytt og beskytter en tungtsmeltelig veggkonstruksj on 21 som kan bestå av et hvilket som helst egnet tungtsmeltelig materiale som ikke angripes av smeltet aluminium og smeltet elektrolytt. Veggen 21 strekker seg tversover cellen mellom to

motsatte sidevegger og er i avstand fra en videre sidevegg 30 i cellen for å oppdele denne til et katodekammer 24 og et reduksjonskammer 25.

I den tungtsmeltelige skillevegg 21 er det anbragt et begrenset antall tungtsmeltelige hårdmetallegemer som har form av mursten eller halve mursten 22. Smeltet aluminium éller aluminiumrike legeringer fyller i det minste delvis katodekammeret 24, og et antall tungtsmeltelige hårdme-tallstrømledninger 32 er i det minste del-

vis neddyppet. Strømledningene 32 av det tungtsmeltelige hardmetall er forsynt med hette av et egnet metall 33, for eksempel aluminium, som tjener til å forbinde strømledningen av tungtsmeltelig hårdme-

tall med en bøyelig forbindelsesanordning 34 (for eksempel mange a<l>luminiumblader), hvilke danner strømledningsenheter 40 forsynt med hetter som er elektrisk forbundet med en katodeskinne 35. Det sees at anoden 17 er elektrisk forbundet med katodeskinnen 35 ved hjelp av elektrolyt-

ten 15, metallbadet 14, de tungtsmeltelige hårdmetallegemer 22 i skilleveggen 21, katodebadet 31, strømledningene 32 av tungtsmeltelig hårdmetall, hetten 33 og de bøyelige forblndelsesanordninger 34. Me-

tallet i kammeret 24 og det smeltede me-

tallag i reduksjonskammeret 25 er således i elektrisk forbindelse uten at de er i fysisk kontakt. De tungtsmeltelige hårdmetallelementer 22 kan anbringes i et hvilket som helst mønster. Strømtettheten inne i de tungtsmeltelige hårdmetallegemer 22

og antallet av slike legemer kan reguleres for å sikre optimal termisk konstruksjon og for å lokalisere varmegenereringen.

Med den modifikasjon som er vist på

figur 4 er den tungtsmeltelige vegg en skalliknende konstruksjon 45 som har tre sider og danner med en del av sideveggen i cellen 10 katodekammeret 24 som er skilt fra reduksjonskammeret 25.

Det oppnås et antall fordeler ved hjelp

av cellekonstruksjoner som beskrevet oven-

for. Ved å anbringe de tungtsmeltelige hårdmetallegemer i skilleveggen, unngås bruken av elementer som stikker inn i reduksjonskammeret. Problemet med vekst av slam og liknende avsetninger under metallputen eller laget reduseres vesentlig da alle sider i cellen er fri for fremstikken-

de tungtsmeltelige hårdmetallelementer og er derfor åpen for enkel raking.

Med den utførelse som er vist på figur

1 kan aluminiumoksyd mates til cellene på vanlig måte ved å bryte opp skorpen på et hvilket som helst sted i cellen, men uten fare for å bryte av fremstikkende tungtsmeltelige hårdmetallegemer. Anvendelse av et katodestrømkammer atskilt fra ho-vedelektrolyttredusjonscellen med en skillevegg tjener også til å nedsette oksyda-sjonen til et minimum og likeledes ned-

sette korrosjon av tungtsmeltelige hårdmetallelementer på grunn av smeltede sal-

ter. Det kaldere metall i kammeret 24, fritt for elektrolyttbad, skaffer en utmerket le-

der hvorfra strømmen kan fjernes til ka-

;odeskinnen. Når det oppstår feil i en strømledning 32 av tungtsmeltelig hårdmetall kan denne hurtig og lett erstattes aten noe skorpeproblem. Generelt vedlike-

hold kan således utføres ganske lett.

De tungtsmeltelige hårdmetallelemen-

ter som anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse er forholdsvis korte legemer sam-menliknet med de elementer som kreves ifølge teknikkens stand, og derved blir det lettere å fremstille disse ved varmpressing eller kaldforming etterfulgt av sintririg.

Hvis det er ønskelig, kan legemene etter

den første fabrikasjon dessuten undergå

en form for varmebehandling for å frigjø-

re spenninger, for eksempel en ettersint-

ring, i den samme sintririgsovn. Det er derfor klart at cellekonstruksjonen ifølge foreliggende oppfinnelse tillater bruk av tungtsmeltelige hårdmetallementer som kan fremstilles ved hjelp av teknikk som byr på betydelige økonomiske fordeler like overfor fremstilling av lengre legemer og resulterer i meget robuste former.

Skjønt utførelsen som er angitt i fi-

gur 1 og diskutert ovenfor omfatter bru-

ken av et strømoppsamlende kammer og en tungtsmeltelig veggkonstruksj on, skal det forstås at elektrolyttiske celler ifølge foreliggende oppfinnelse kan anvende et an-

tall katodekammere og tungtsmeltelige skillevegger avhengig av størrelsen og den påtenkte kapasitet for den elektrolyttiske reduksjonscelle.

Videre kan den tungtsmeltelige veggkonstruksj on være av en hvilken som helst egnet utførelse slik som et rør eller en sy-linder hvorved katodekammeret 24 er iso-

lert fra elektrolyttisk reduksj onskammer 25 og således danner en strømoppsamlen-

de brønn fortrinnsvis inneholdende smel-

tet aluminium som letter den. elektriske forbindelse fra anoden gjennom de strøm-ledende legemer av tungtsmeltelig hårdmetall i den tungtsmeltelige veggkon-struksjon som beskrevet ovenfor.

Claims (5)

1. Elektrolytisk celle for fremstilling

av aluminium, omfattende et reduksj onskammer (25) bestemt til å oppta smeltet aluminium (14) i kammerets nedre del, samt smeltet saltelektrolyt over det flyten-de aluminium og i kontakt med dette, karakterisert ved at elektrolysecellen ved hjelp av en ikke elektrisk ledende vegg (21) av tungtsmeltelig materiale er adskilt i to kammere (24) og (25) hvor katodekammeret (24) er beregnet til å oppta smeltet metall, hvilke to kammere ikke står i noen fysisk kontakt med hverandre, men i elektrisk kontakt ved hjelp av minst ett tungtsmeltelig, elektrisk ledende legeme (22), således at smeltet aluminium i reduksjonskammeret kommer i elektrisk kontakt med det smeltede metall i katodekammeret (24), og ved at det i katodekammeret (24) er anordnet katodestrømføren-de ledninger (32) av tungtsmeltellig materiale for elektrisk kontakt med det smeltede metall.

2. Celle ifølge påstand 1, karakterisert ved at det smeltede metall i katodekammeret (24) holdes ved lavere temperatur enn det smeltede aluminium i reduksj onskammeret (25).

3. Celle ifølge påstandene 1 eller 2, karakterisert ved at det smeltede metall i katodekammeret er aluminium.

4. Celle ifølge påstand 1, k a r a k t e-risertvedatde tungtsmeltelige katode-strømførende ledninger (32) som i og for seg kjent består av titandiborid og/eller titankarbid.

5. Celle ifølge hvilken som helst av de foregående påstander, karakterisert ved at det tungtsmeltelige, elektrisk ledende legeme (22) i veggen (21) består av titandiborid og/eller titankarbid.