NO146608B - Elektrolysecelle for fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

For utvinning av aluminium av aluminiumoksyd (A^O^) ved

hjelp av elektrolyse løses oksydet i en fluoridsmelte, som hovedsakelig består av kryolitt (Na^AlFg). Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cell-

ens karbonbunn, og overflaten av det flytende aluminium danner da cellens katode. Anoder, som vanligvis består av amorft karbonholdig material, er neddykket i smeiten ovenfra. Ved disse karbonanoder utvikles ved elektrolytisk spalting av aluminiumoksyd oksygen som forbinder seg med karbonmaterialet i anodene til CO og CC>2 • Elektrolysen finner vanligvis sted i et temperaturområde mellom 9 40

og 975°C.

Den kjente og vanlig utførelseform for en konvensjonell aluminiumelektrolysecelle med forinnbrente karbonanoder vil fremgå av fig. 1, som skjematisk viser et vertikal-

snitt i lengderetningen gjennom en del av en sådan elektrolysecelle. Cellens stålkar 12, som er foret med én termisk isolasjon 13 av varmebestandig og varmedemmende material samt av karbon 11, inneholder en fluoridsmelte 10

som elektrolytt. Det katodisk utskilte aluminium 11 ligger på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av'dette flytende aluminium utgjør cellens katode. I karbonforingen 11 er <! >det på tvers av cellens lengderetning innlagt katodestaver 17 av jern, som fører elektrisk likestrøm fra cellens karbonforing 11 utover i sideretningen. I fluoridsmelten

10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbon-

holdig material, som tilfører likestrøm til elektrolytten.

Disse anoder er over strømlederstenger 19 og ved hjelp av låseanordninger 20 fast forbundet med anodebjelker 21. Elektrolysestrømmen flyter fra katodestavene 17 for en

første celle over ikke inntegnede strømskinner til anode-

bjelken 21 for den påfølgende celle. Fra anodebjelken 21

flyter strømmen gjennom strømlederstengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonfor-

ingen 11 til katodestavene 17. Elektrolytten 10 er dekket med en skorpe 20 av størknet smelte samt et aluminiumoksyd-

skikt 23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10 og den

størknede skorpe 22 oppstår det under drift et hulrom 25. Langs sideveggene av karbonforingen 11 danner det seg like-ledes en skorpe av størknet elektrolytt, nemlig skorpe-kanten 24. Denne kant 24 er med på å bestemme den horisontale utstrekning av det foreliggende bad av flytende aluminium 14 og elektrolytt 10.

Avstanden d fra undersiden 2 6 av anodene til aluminium-overflaten 16 kalles også interpolaravstanden og kan for-andres ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av den viste løfteinnretning 27, som er montert på søyler 28.

Ved hjelp av løfteinnretningen 27 kan samtidig alle anoder heves eller senkes. Anodene kan dessuten hver for seg på kjent måte innstillles i høyderetningen ved hjelp av de låseinnretninger 20 som er anordnet på anodebjelken 21.

Som følge av angrep fra det oksygen som frigjøres under elektrolysen forbrukes anodematerialet på anodens under-side tilsvarende et materialskikt på ca. 1,5 til 2 cm pr. dag, alt etter den foreliggende celletype. Samtidig ;stiger også overflatenivået for det flytende aluminium som befinner seg i cellen også med 1,5 til 2 cm pr. dag. Etter at en anode er forbrukt blir den utskiftet med en ny anode.

I praksis drives en celle på sådan måte at anodene allerede etter noen få dager oppviser forskjellig forbruknings-grad, således at anodene må utveksles hver for seg med en tidsforskjell på opptil flere uker. Av dette forhold vil det fremgå at det i en og samme celle kan foreligge anoder med meget forskjellig driftstid, hvilket også vil fremgå

av fig. 1.

I løpet av elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten på aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på 1 til 2% aluminiumoksyd i elektrolytten opptrer en såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en plutselig spennings-stigning fira normalt 4 - 4,5 V til 30 V eller mer. Senest på dette tidspunkt må skorpen brytes og konsentrasjonen av

Al^ O^ økes ved tilførsel av ytterligere aluminiumoksyd.

Under normal drift betjenes en celle vanligvis periodisk, også når det ikke foreligger noen anodeeffekt. Utenfor denne rutine må badets skorpe ved.hver foreliggende anodeeffekt gjennombrytes og konsentrasjonen av A^O^ økes ved tilførsel av ny aluminiumoksyd, slik som angitt ovenfor, hvilket tilsvarer en ekstra cellebetjening. Anodeeffekten er således i drift alltid forbundet med en cellebetjening,

og denne betjening betegnes i motsetning til en normal cellebetjening som en "anodeeffektbetjening".

Det elektrolytisk frembragte aluminium 14, som samler seg på cellens karbonbunn 15, tas vanligvis ut en gang daglig ved hjelp av en uttappningsinnretning.

Karbonforingen 11 blir under tidens løp gjenstand for en betydelig volumøkning. Denne forårsakes ved inntrengning av elektrolyttkomponenter i karbonforingen. Med sådanne komponenter forstås enten salter som inngår i fluorid-smeltens sammensetning eller kjemiske forbindelser som oppstår i fluoridsmelten på grunn av reaksjoner som ikke er nærmere kjent.

Som en følge av karbonforingens volumøkning vil den utøve et trykk på den termiske isolasjon 13 og på stålkaret 12. Stålmantelen utsettes herunder for ikke-reversible deformeringer, som påkjenner stålet utover materialets elastisitetsgrense og kan frembringe sprekkdannelser.

Også karbonforingen kan deformeres, og for det meste vil da foringens bunn bukte seg ut oppover, hvorved det kan opp-stå sprekker i foringen. Det flytende aluminium 14 trenger da ned i disse sprekker og angriper jernstavene 17. Denne ødeleggelse av cellens foring kan gå så vidt at det flytende aluminium flyter ut av cellen. Cellen må da vanligvis settes ut av drift for utskiftning av hele foringen før cellen atter kan innkobles. Sådanne reparasjoner er vanligvis nødvendig hvert annet til sjette år, men ue er dyre og dessuten oppstår det et betydelig produksjonstap

under cellens stillstand.

Ved avstivning av cellens stålmantel er det forsøkt å

unngå sådanne deformeringer og sprekkdannelser.

I SE-PS 349.834 er det således foreslått en smelteelektro-lysecelle med flere innbyrdes avgrensede kar anordnet i parallelle rekker på og forbundet med en felles bunnplate, idet karenes sidevegger er forbundet med avstivningsele-menter (tverr-ribber) anordnet for å oppta indre og ytre horisontalkrefter som virker på elektrolysekarene.

Fra NO-PS 89.473 er det videre kjent å hindre deformering av elektrolysecellen ved at elektrolysecellens stålkar har glidbare veggelementer som er anordnet bevegelig i forhold til karets stillestående bunn. Elastiske elementer, f .eks. fjærer, utøver herunder trykk-kraft mot cellens sidevegger.

Ved anordningen i henhold til SE-PS 349.834 kan imidlertid ikke deformasjoner og sprekkdannelser forhindres, men bare reduseres i en viss grad. Dette skjer imidlertid på be-kostning av at de anordnede avstivninger i vesentlig grad fordyrer cellekonstruksjonen og øker cellekarets vekt. Disse ulemper opptrer i øket grad i elektrolysecellen i henhold til NO-PS 89.473.

Under cellens stillstand må det ofte foretas kostbare reparasjoner av stålmantelen for å bortskaffe de ovenfor nevnte deformeringer og sprekkdannelser.

Tallrike forsøk har vært gjort i denne forbindelse med det formål å gjennomtrekke karbonforingen med elektrolyttkomponenter for å unngå den skadelige volumøkning. Det har imidlertid vist seg at denne volumøkning ikke kan unngås og må betraktes som en uunngåelig forutsetning under elektrolysecellens drift.

På denne bakgrunn av kjent teknikk er det derfor et formål for oppfinnelsen å fremskaffe en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium og hvis stålmantel tillater en utvidelse av karbonbunnen i sådan grad at ingen varige deformasjoner og/eller rissdannelser opptrer, uten at dette i vesentlig grad gjør cellen dyrere. Dessuten ønskes oppnådd nedsatt' utbuktning og rissdannelser i karbonforingens bunn.

Oppfinnelsen gjelder således en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd i en fluoridsmelte i et elektrolysekar, sam omfatter en stålmantel som er foret med varraedemmende material og dessuten har en karbonforing med innlagte katodestaver, idet cellens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at cellens elektrolysekar er utstyrt med bufferrom, som gjennomtrenges av katodestavene og er fylt med et første, lett deformerbart material samt et annet material som først deformeres ved større kraftpåvirkning, idet bufferrommet er anordnet for å oppta de horisontale utvidelser av bunnen av cellens karbonforing som oppstår under drift av cellen, og nevnte annet material har sådanne mekaniske egenskaper at kreftene i materialet overføres til cellens stålmantel uten deformering og/eller sprekkdannelser, og de motkrefter som virker på karbonforingens bunn nedsetter bunnens tendenser til utbuktning og gjennomgående sprekkdannelser.

Fortrinnsvis er bufferrommet utformet som en utragende utbuktning av stålmantelen rundt elektrolysecellens om-krets, og kan med fordel være løsbart forbundet med resten av stålmantelen.

For feste av den løsbare utbuktning kan det anvendes vanlige festemidler, f.eks. skruer eller niter.

Bufferrommet for opptagelse av karbonbunnens utvidelse bør ikke være fylt med luft, idet luftens oksygen lett kan bringe karbonforingen til å oksydere og forbrenne. Av denne grunn må bufferrommet være helt fylt og avtettet på sådann måte at ingen luft kan samle seg i dette rom.

Et første fyllmaterial må være så lett sammentrykkbart at karbonforingens volumutvidelse i horisontal retning bare støter på en ubetydelig motkraft.

Et annet material, som kan nedbrytes av volumutvidelsen av karbonforinges bunn, frembringer en motkraft med angreps-punkt under • karbonbunnen men over kjernesonen av karbonforinges bunn. Med kjernesone forstås her på vanlig måte i henhold til fasthetslæren den sone hvori en kraft må angripe for at den på ingen steder i vedkommende materiale skal kunne frembringe strekkrefter. Ved den virkende motkraft fra det annet material over kjernesonen sammentrykkes karbonbunnen så sterkt at så vel utbuktninger som sprekkdannelser unngås.

Ytterligere fordeler, særtrekk og spesielle egenskaper ved oppfinnelsens anordning vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av foretrukkede utførelseeksempler under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk oppbyggningen av en kjent og vanlig elektrolysecelle, som allerede er omtalt. Fig. 2 viser et vertikalt delsnitt gjennom en elektrolysecelle med rundtgående utbuktning.

Fig. 3 viser en avtagbar utbuktning av stålmantelen.

Fig. 4-8 viser spesielle utførelser av det annet material. I fig. 2 er 10 fluoridsmelten, 11 karbonforingen, 12 stålkaret, 13 den termiske isolasjon, 14 det flytende aluminium, 15 karbonbunnen, 16 overflaten av det flytende aluminium, 17 en katodestav av jern, 18 en anode, 19 en strømleder-stang, 22 skorpen av størknet smelte, 23 aluminiumoksyd-skiktet, 24 sideskorpen og 25 hulrommet over elektrolyse-smelten.

Stålmantelen 12 oppviser på sin nederste del, i henhold

til en foretrukket utførelseform av oppfinnelsen, en utbuktning som danner et bufferrom 29. Hvis det gis avkall på den utbuktning 29 av stålmantelen som er angitt i fig. 2,

kan den termiske isolasjon over utbuktningsstedet gjøres bredere og overdekkes frem til stålmantelen med aluminiumoksyd 23. Bufferrommet behøver ikke, slik som vist i fig. 2, være fast forbundet med karets bunn. Av fremstillings-tekniske og økonomiske grunner foretrekkes imidlertid den utførelse som er vist i fig. 2.

Bufferrommet 29 som i det minste må ha sådan høyde at det

rager opp over karbonbunnen 15, er fylt med et lett, sammentrykkbart material 30, f.eks. stenull, samt et annet material 31. som først nedbrytes ved større kraftpåvirkning. Den derved frembragte motkraft, som virker på den del av karbonforingen 11 som befinner seg unéer karbonbunnen 15, får ikke være så stor at den del av stålmantelen 12 som omslutter bufferrommet 29, varig deformeres. Den frembragte motkraft ved nedbryting av materialet 31 må være akkurat så stor at den tillater karbonforingens utvidelse

i horisontal retning, uten at dette fører til utbuktninger oppover av karbonbunnen 15 eller sprekkdannelser i denne, slik som ved tidligere kjente konstruksjoner.

Den utførelse som er vist i fig. 3, har den store fordel at reparasjoner i bufferrommet 29 meget lett kan utføres. Forbindelsen mellom den avtagbare del 32 og resten av stålmantelen 12 oppnås f.eks. ved hjelp av skrue- eller nite-forbindelser 33. Fig. 4 viser en spesiell utførelse av det material 31 som skal frembringe den nevnte motkraft. Denne anordning omfatter to parallelle plater 34 og 35. Mellom disse plater er det anordnet stålstenger 36. Platen 35 anbringes mot stålmantelen 32 i bufferrommet, mens platen 34 anbringes mot karbonforingen 11. Stålstengene 36 er dimensjonert' slik at de knekker ut i retningen 39 under påvirkning av en bestemt kraft. De betingelser som denne kraft må opp-fylle, er forøvrig de samme som er angitt i forbindelse med fig. 2. Fig. 5 viser en ytterligere utførelse av materialet 31. Dette er her oppbygget av keramiske Stener 37 med gjennomgående kanaler 38 på tvers av kraftretningen 39. Kanalens tverrsnitt tiltar, regnet i kraftretningen 39, mot midten av de keramiske stener 37. På denne måte svekkes stenene 37 mest i midten av materialet og sammentrykkes først på dette sted. Kanalene 38, som er tegnet med rektangulært tverrsnitt, kan imidlertid ha en hvilken som helst hen-siktsmessig tverrsnittsform, men må i alle tilfeller være dimensjonert slik at stenene 37 ved, henholdsvis etter materialnedbrytningen nettopp utøver den motkraft som er beskrevet i forbindelse med fig. 2. Stenene 37 har herunder fortrinnsvis alle samme ytre format.

I fig. 6 er materialet 31 sammensatt av stener 40, 41 og 42 av forskjellig størrelse og som alle er gjennomboret av kanaler 43. Herved oppnås ved materialnedbrytningen en mindre motkraft og en svakere kraft/vei-karakteristikk. Først nedbrytes stenen med de minste dimensjoner. Hvis kraften fra karbonforingen under utvidning stiger ytterligere, vil så den nest største sten bli knust, og så videre.

I fig. 7 er, som en videre utførelsesvariant, materialet

31 utformet som keramisk formsten med varierende tverrsnitt. Dette tverrsnitt avtar fra ytterendene med størst tverrsnitt 44 frem til et midtre minste tverrsnitt 45, således at det faktisk foreligger en innsnøring. Her vil først den del av formstenen som har minst tverrsnitt 45 bli nedbrutt. Hvis påvirkningskraften stiger ytterligere vil materialnedbrytningen etterhvert spre seg i retning mot tiltagende tverrsnitt.

Den anordning av materialet 31 og katodestaven 17 som

vist i fig. 8, kan anvendes i alle utførelseseksempler i fig. 4-7. Den keramiske formsten (fig. 7) med varierende tverrsnitt er utstyrt med en utsparing 4 6 hvor katodestaven 17 av jern passer inn. For oversiktens skyld er karbonforingen 11 under karbonbunnen 15 og som katodestaven 17 er innleiret i, utelatt. Denne utførelse med

ridende formsten har den fordel at formstenens stilling er nøyaktig fastlagt.

I alle de utførelsesformer som er vist i fig. 4 - 8, er alle hulrom som' grenser til et annet material som først ødelegges ved større kraftvirkninger, fortrinnsvis fylt med et lett sammentrykkbart material, f.eks. stenull.

Claims (12)

1. Elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd i en fluoridsmelte i et elektrolysekar (12), som omfatter en stålmantel som er foret med varmedemmende material (13) og dessuten har en karbonforing (11) med innlagte katodestaver (17) karakterisert ved at cellens elektrolysekar (12) er utstyrt med bufferrom (29), som gjennomtrenges av katodestavene (17) og er fylt med et første, lett deformerbart material (30) samt et annet material (31) som først deformeres ved større kraftpåvirkning, idet bufferrommet er anordnet 'for å oppta de horisontale utvidelser av bunnen (11) av cellens karbonforing som oppstår under drift av cellen, og nevnte annet material har sådanne mekaniske egenskaper at kreftene i materialet overføres til cellens stålmantel uten deformering og/eller sprekkdannelser, og de motkrefter som virker på karbonforingens bunn nedsetter bunnens tendenser til utbuktning og gjennomgående sprekkdannelser.

2. Elektrolysecelle som angitt i krav 1, - karakterisert ved at bufferrommet er utført som en utragende utbuktning (32) av stålmantelen rundt hele elektrolysekaret (12).

3. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-2, karakterisert ved at nevnte utbuktning (32) er løsbart forbundet med den øvrige del av stålmantelen.

4. Elektrolysecelle som angitt i krav 3, karakterisert ved at utbuktningen (32) er festet ved hjelp av skruer eller niter.

5. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at det første material (30) utgjøres av stenull.

6. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at de deformerbare mat-erialer (30, 31) er slik anordnet at den motkraft som frem-bringes av det annet material (31) angriper under karbonbunnen (15) men over kjernesonen for karbonforingens bunn (11).

7. Elektrolysecelle som angitt i krav 6, karakterisert ved at det annet material (31) består av to parallelle stålplater (34, 35) med mellom-liggende, utknekkbare stålstenger (36).

8. Elektrolysecelle som angitt i krav 6, karakterisert ved at det annet material (31) består av keramiske stener med gjennomgående kanaler (38) på tvers av den angripende kraft (39), idet kanalenes tverrsnitt tiltar mot midten av materialet.

9. Elektrolysecelle som angitt i krav 6, karakterisert ved at det annet material består av keramiske formstener (40, 41, 42) som gjennomløpes av kanaler (43) av forskjellig størrelse.

10. Elektrolysecelle som angitt i krav 6, karakterisert ved at det annet material består av innsnørte keramiske formstener (45, 46).

11. Elektrolysecelle som angitt i krav 8 - 10, karakterisert ved at katodestavene (17) er innlagt i utsparinger (46) i de keramiske formstener.

12. Elektrolysecelle som angitt i krav 8-10, karakterisert ved at de hulrom som grenser mot det annet material er fylt med lett deformerbart material.