NO150213B - Fremgangsmaate ved fremstilling av magnesium og elektrolysecelle for utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art

som er angitt i krav l's ingress, samt én elektrolysecelle

som angitt i krav 8's ingress.

Eksempler på anordninger og fremgangsmåter anvendt for en slik fremstilling av magnesium er angitt i U.S. patentene nr.

2.785.121 og 3.396.094. Som beskrevet i disse patenter kan metallisk magnesium fremstilles ved å fore en likestrbm mellom anoder og katoder, oppebåret i et adskilt forhold i et smeltet saltbad inneholdende magnesiumklorid, inne i et lukket cellekammer. Strommen oppvarmer badet for å bibeholde dette ved en temperatur som i det minste er over smeltepunktet for magne-

sium og bevirker elektrolyse av magnesiumkloridet i badet og forårsaker derved at smeltet magnesiummetall frigjores ved katodeoverflåtene, mens klorgass dannes ved anodeoverflåtene.

Metallet som er lettere enn badet stiger opp langs katodeoverflåtene, mens gassen stiger opp gjennom badet i form av en bobleansamling fra hver anodeoverflate og oppsamles i et gass-

rom inne i kammeret over badets nivå. Over hver katode utstrek-

ker det seg under badets overflate et omvendt trau som mottar det oppstigende metall og forer det til et egnet oppsamlings-

sted utenfor hovedkammeret. Under hele denne prosess er det viktig at det frigjorte metall holdes isolert fra utviklet gass for å forhindre en gjenforening av magnesium og klor.

Den beskrevne fremgangsmåte kan utfores kontinuerlig, eksempel-

vis med periodisk erstatning av magnesiumkloridinnholdet i badet, fjerning av fremstilt metall fra oppsamlingsstedet, samt uttrekning av klorgass fra kammeret.

Vanligvis er anodene fremstilt av grafitt, mens katodene kan være stålplater. I visse tilfeller kan det anvendte bad reagere med karbon i grafittanodene (noe som for tiden antas å kunne tilskrives tilstedeværelse av krystallisasjonsvann i magnesiumkloridet i badet), og som forårsaker et tiltagende forbruk av anodene hvilket forer til en avsmalning av de nedre anodeender, selv om anodene er utformet med vertikale sider og som forblir vertikale over stedet for denne påbegynnende avsmalning. Det har tidligere vært foreslått, i slike tilfeller å orientere katodene skrått i den hensikt å oppnå parallellitet mellom de forventede avsmalende nedre deler av anodene som forbrukes.

Det er derfor imidlertid sterkt foretrukket å anvende et bad (eksempelvis en vannfri saltblanding) som i det vesentlige er fri for bestanddeler som reagerer med anodekarbonet, i den hensikt å unngå omkostningene og ulempene ved en nedoverrettet mat-ning eller hyppig erstatning av anodene, hvilket er nbdvendig hvis anodene forbrukes. Når det anvendes et ikke reaktivt bad er de adskilte, mot hverandre vendende sideoverflater av anodene og katodene fortrinnsvis orientert vertikalt og i et parallelt forhold til hverandre gjennom hele cellens vertikale del.

De mot hverandre vendende katode-og anodeoverflater i en slik celle må være anordnet relativt langt ifra hverandre, slik at det frigjorte metall som flyter oppover langs katodeoverflaten ikke kommer i kontakt med (og reagerer med) gassen som frigjbres ved anodeoverflåtene.

Fra norsk patent nr. 134.495 er også kjent en celle for fremstilling av metaller fra smeltede halogenider, hvor elektrodene har skråflater. Denne celle er beregnet fra systemer hvor metallet er tyngre enn elektrolytten.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte som

er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriser-ende del, nemlig: - at elektrolytten bringes til å sirkulere i en oppadrettet strømningsbane som avviker fra vertikalen, idet strømningsbanen er definert mellom motstående sideflater (70, 71 og 73, 74) av minst én katodeplate (40) og minst én anodeplate (35), hvilke sideflater (70, 71 og 73, 74) i strømningsretningen er anordnet i et divergerende forhold,

og hvor helningsvinkelen for anodeplatens sideflate (70, 71) i forhold til vertikalen er mindre enn den tilsvarende vinkel for katodens sideflate (73, '74) , og hvor avstanden mellom de respektive sideflater innstilles slik at frigjort magnesium og klor ikke forenes, hvoretter den oppadrettede elektro-lyttstrøm returneres i en strømningsbane utenfor den oppadrettede strømningsbane og forenes med denne under anoden (35) og katoden (40).

Oppfinnelsen tilveiebringer også en elektrolytisk celle som

er særpreget ved det som er angitt i krav 8's karakteriser-ende del, nemlig at sideflaten (70, 71) av anoden (35) heller oppover inn mot katoden (40) i den aktive vertikale utstrekning av anodens (35) sideflate (70, 71), med en helning som avviker vesentlig fra vertikalen og er større enn helningen for omhylningen, og hvor sideflaten (73, 74) av katoden (40) heller oppover bort fra anoden (35) over hele dens aktive vertikale utstrekning med en helning som ikke er vesentlig større enn helningen for cmhylningen (77), slik at sideflatene (70,71,73,74) av anoden (35) og katoden (40) divergerer oppad gjennom hele deres respektive vertikale utstrekning av katodens (40) sideflate (73,74) er adskilt fra sideflaten av anoden (35) med en avstand sem er tilstrekkelig til å forhindre kontakt og gjenforening av henholdsvis metall og gass frigjort fra katoden (40)

og anoden (35), og hvor katode- og anodeoverflåtene sammen definerer et rom for en oppadrettet strøm av elektrolytt (62) der i mellom, og at cellekammeret (20) ytterligere er forsynt med minst en returbane (45,25)

for nedadrettet strøm av elektrolytten på utsiden av dette rom.

Cellen er ytterligere forsynt med midler for å oppsamle magnesiummetall

fra den øvre del av katoden og for utføring av magnesiumet fra kammeret,

og hvor forbedringen omfatter det at hovedoverflaten av anoden heller oppover mot katoden i den aktive vertikale utstrekning av anodens hoved-overflate, med en helning som avviker vesentlig fra vertikalen og er større enn helningen for omhylningen, og hvor hovedoverflaten av katoden heller oppover bort fra anoden over hele dens aktive vertikale utstrekning med en helning som ikke er vesentlig større enn helningen for omhylningen, slik at hovedoverflåtene av anoden og katoden divergerer oppad gjennom hele deres respektive vertikale utstrekninger, og hvor de nedre ender av den vertikale

utstrekning av katodens sideoverflate er adskilt fra sideover-flaten av anoden med en avstand som er tilstrekkelig til å forhindre kontakt og gjenforening av henholsvis metall og gass frigjort fra katoden og anoden, og hvor katode- og anodeover-flatene sammen definerer et rom for en oppadrettet strbm av elektrolytten der imellom, og at cellekammeret ytterligere er forsynt med minst en returbane for nedadrettet strbm av elektrolytten på utsiden av dette rom.

Reduksjonen i anode-katodeavstanden ved foreliggende oppfinnelse er fordelaktig ved at det muliggjor en mere effektiv utnyttelse av den elektrolytiske celles volum og nedsetter enhetskraftfor-bruket nodvendig for å utfore elektrolysen ved en reduksjon av ohmsk tap i elektrolytten og særlig ved at det muliggjor drift av cellen ved en lavere påfort spenning og fremmer en oppadrettet strom av elektrolytt mellom de aktive overflater av henholdsvis anoden og katoden. I en foretrukken utforelsesform er de nedre overflater av katoden med hensikt modifisert for å fremme denne oppadrettede strbm ytterligere. I denne type magnesiumelektrolysecelle hvor det fremstilte smeltede metall er lettere enn elektrolytten vil elektrolyttstrbmmen være rettet oppad mellom elektrodene og den nédadrettede strbm finner sted utenfor rommet mellom elektrodene.

Ved foreliggende oppfinnelse kan anode-katodeavstanden fordelaktig nedsettes ved å anordne en anode og katode hvis mot hverandre stbrre overflater er således orientert at anodens sideoverf late skråner oppover mot katoden og at katodens sideover-flate skråner nedover mot anoden med en betydelig vinkel i forhold til vertikalen, over hele de vertikale utstrekninger av overflatene. Den anvendte betegnelse "aktive vertikale utstrekning" henviser til den del av en elektrodes sideoverflate som er anordnet i et direkte motstående forhold til en tilstbtende overflate av en elektrode med motsatt polaritet og som er i kontakt med elektrolytten.

Under henvisning til elektrolyse av magnesiumklbrid, i en celle forsynt med elektroder med vertikale sider, vil klorgassen som frigjbres ved anodens overflate stige opp fra denne igjennom elektrolyttbadet i en oppad utspredende samling av bobler, hvor bobleansamlingen har en relativt veldefinert ytre grensefeller omhylning som er den naturlige ytre grense for gassboblenes bevegelse og ikke utgjores av en fysisk hindring. Omhylningen heller utover og oppover fra anodeflaten med en helning som typisk ligger i området 9:1 til 11:1, vanligvis ca. 10:1, idet helningen uttrykkes som forholdet mellom vertikalforflytning. til horisontalforflytning. Det er nå funnet at hvis anodeoverflaten heller oppover og utover og således vil bevirke en reduksjon av avstanden mellom den ovre del av overflaten og omhylningen av gassansamlingen,så vil helningen og lokaliseringen av gassansamlingen ikke forandres vesentlig, forutsatt at anodeoverf latens helning er noe storre enn helningen for omhylningen. Fordi omhylningens posisjon ikke påvirkes vesentlig av anodens helning kan den motstående katodeoverflate også skrånes fra en fast ovre stilling og nedover og innover mot anoden med en helning som ikke er storre enn og fortrinnsvis er parallell med omhylningen,og således redusere avstanden mellom de nedre deler av de motstående anode- og katodeoverflater. Fortrinnsvis, ved elektrolyse av magnesiumklorid bor helningen for overflaten ligge i området 15:1 til 20:1, mens helningen for katodeoverflaten ikke bor være mere enn ca. 10:1. Den minimale anode-katodeavstand med hvilken det unngås kontakt mellom smeltet metall og gass avtar når disse helninger eller gradienter nærmer seg gradienten for gassbobleansamlingens ytre omhylning. Imidlertid da anodeoverf latens gradient må være storre enn<i>.den for omhylningen mens katodeoverflatens gradient ikke er storre enn den for omhylningen vil det være en viss grad av oppadrettet divergens mellom de hellende anode- og katodeoverflater.

Som et ytterligere særtrekk ved oppfinnelsen så er anoden eller hver anode formet med to motstående sideoverflater som hver hrller oppover og utover, og hvortil er anordnet et par katoder hvis overflater i et adskilt forhold vender mot de to anodeoverflater, hvilke katoder heller i henhold til oppfinnelsen. Ytterligere fordeler er knyttet til en avskrånende anodekonfigurasjon såsom en fast grafittanode. Eksempelvis er stromfordelingen effektiv fordi anoden er tykkest der hvor stromstyrken er hoyest, ytterligere vil anodekonfigurasjonen fremme den nyttige levetid for anoden, for en gitt mengde anvendt anodemateriale, fordi anoden er tykkest der hvor (toppen)

muligheten for nedbrytning, eksempelvis ved oksydasjon

av anodematerialet, er storst.

Ytterligere i henhold til oppfinnelsen kan den nedre del av hver katodeoverflate være bbyd utover (bort fra dens tilhbrende anode) rundt en horisontal akse. Denne kantform tilveiebringer en Venturilignende effekt mellom den avbbyde katodekant og den tilstbtende anode og fremmer en turbulensfri sirkulasjon av elektrolytt ved å forbke den oppadrettede strbmningshastighet inn i og mellom rommet mellom to mot hverandre vendende anode-og katodeoverflater.

Spesielt for elektrolytiske operasjoner hvorav oppfinnelsen anvendes er det funnet at det oppnås fordeler med hensyn til lavt spenningsbehov (sammenlignet med konvensjonelle metoder), effektiv varmeuttrekning (de avskrånende grafittanoder har en relativt lav temperatur og er således mindre utsatt for oksydasjon) , samt en fordelaktig kombinasjon av lavt energiforbruk forbundet med en hby strbmstyrkeéffektivitet. Strbmeffektivite-ten, målt som forholdet mellom den aktuelle vekt av produsert metall i forhold til den teoretiske oppnåelige vekt metall som kan erholdes med den anvendte strbmstyrke er viktig da en foroket effektivitet muliggjor anvendelse av mindre og lettere cellestrukturer for en gitt metallproduksjon.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den mere detaljerte beskrivelsen og de vedlagt tegninger.

I de vedlagt tegninger viser:

Fig. 1 viser et oppriss av en magnesiumkloridelektrolysecelle hvori anvendes en spesiell utfbrelsesform av foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et sidesnitt av cellen tatt langs linjen 2-2 i fig. 1. Fig. 3 er en del av et snitt av en celle tatt langs linjen 3-3 i fig. 2. Fig. 4 er et oppriss sett forfra av en anode for cellen i fig. 1.

Fig. 5 er et sideriss av en anode i fig. , og

fig. 6 viser i perspektiv en grafittblokk som viser et trinn ved fremstillingen av én anode som vist i fig. 4 og 5.

Det generelle arrangement av cellen diskutert i det etterføl-gende er beskrevet i U.S. patent nr. 3.396.094 hvori nærmere detaljer og trekk vedrorende dens drift er beskrevet.

I henhold til fig. 1, 2 og 3 innbefatter en rektangulær celle et hovedkammer 20 med en bakvegg 21 langs kammerets lengderetning, og endevegger 22, 23 og forsiden av kammeret 20 er avgrenset av en skillevegg 24. Langs den ytre flate av skilleveggen utstrekker seg et oppsamlings- eller tilfbrselskar 25, hvis ender er avgrenset av veggenes 22 og 23 forlengelse, og avgrenset langs forsiden av veggen 26. Alle veggene innbefattet veggene 21 og 26, så vel som gulvet under hele cellen er fremstilt av en kraftig ildfast konstruksjon, passende oppmurt av ildfaste blokker (ikke vist). Hele strukturen kan ytterligere være forsynt med et isolerende lag 29, som kan være forsterket og beskyttet av et ytre stålhus 30.

Hovedkammeret 20 har en utlopskanal 32 nær toppen av den ene endevegg 2 2 for utforing av klorgass og er innelukket ved den ovre ende av et fjernbart, ildfast foret deksel 34, som fortrinnsvis er anordnet gasstett over kammeret.

Et antall tunge, platelignende. grafittanoder 35 er montert i dekslet og utstrekker seg ned inn i kammeret 20 med deres nedre ender nær kammerets bunn og hver i en slik stilling at deres lengste dimensjoner utstrekker seg fra baksiden til forsiden i kammeret. Passende elektriske ledere 37 er anordnet i de ovre ender av anodene og i tillegg kan kjente midler (ikke vist) anordnes for å fjerne varme fra anodene. Cellen innbefatter og-så et antall katoder 40 som kan bestå av stålplater og som er anordnet i rommene mellom på hverandre folgende anoder, slik at elektrodene alternerer i en gjensidig parallell rekke langs hovedkammeret 20 og hvor hver utstrekker seg i det vesentlige fra forveggen til bakveggen i kammeret. Katodene 40 er anordnet mellom anodepar 35 som adskilte par slik som vist i fig. 1 og oppebæres av en egnet bære- og elektrisk tilknytningsanordning 4 2 som utstrekker seg gjennom bakveggen 21 og som er forsynt med midler 43 for elektrisk tilknytning. Katodene i hvert beskrevet par er således anordnet passende nær til de respektive tilstotende anoder 35. Ved cellens ender er enkle katoder 40 anordnet som hver er tilsvarende båret og forbundet ved cellens bakre vegg og anordnet i en passende nærhet av den tilstotende anode 35.

For å tillate utfbring av smeltet metall som avsetter seg på katodene og strbmmer oppover er det anordnet en sperrevegg 24 forsynt med passende åpninger 45 fra et nivå noe over katodene og hele veien ned til gulvet i cellen for å tillate en fri strbm av badet mellom hovedkammeret 20 og oppsamlingskammeret 25 for å fremme metall og varmetransport inn i oppsamlingskammeret 25.

For en virkelig transport av smeltet magnesium inn i kammeret

25 er det anordnet en omvendt traulignende struktur 46 som sammen med katodene utstrekker seg gjennom åpningene 45 i skilleveggen og som heller oppover fra bakveggen 21 til en ut-munningsdel 48 på hver på innsiden av kammeret 25. I drift vil kamrene 20 og 25 i cellen fylles med smeltet bad til et nivå 5 2 vel over hullene 45. Ved foreliggende oppfinnelsen er elektrolytten magnesiumklorid. Typisk omfatter en slik elektrolytt magnesiumklorid sammen med andre salter som er egnet for en bærer og som sikrer et passende smeltepunkt, flytbarhet og andre egenskaper i elektrolytten i henhold til velkjent tek-nikk. I tillegg innbefatter badet vanligvis også andre klo-rider såsom natrium- eller kaliumklorid, til hvilket også kan tilsettes en mindre mengde av et fluorid, eksempelvis kalsiumfluorid. Magnesiumkloridet som utgjor kilden for det erholdte metallprodukt utgjor vanligvis en mindre del mens de gjen-værende salter tjener for å tilveiebringe den bnskede flytbarhet og ledningsevne. Som et eksempel kan angis et tilfreds-stillende bad som i det vesentlige består av ca. 15 vekt-% magnesiumklorid, 30 vekt-% kalsiumklorid, 50 vekt-% natrium-klorid, eventuelt sammen med en mindre mengde kalsiumfluorid eksempelvis 5 vekt-% eller mindre. Badets bestanddeler er vannfrie og er i det vesentlige fritt for bestanddeler som reagerer med karbonet i grafittanodene, slik at det i det vesentlige ikke er noe forbruk av anodene under drift, i det minste i enhver progressiv eller kontinuerlig betydning.

Med en passende kilde for likestrom forbundet med tilknytnings-anordningene 37, 43 forloper elektrolysen. Klorgass frigjort ved anoden (e) oppsamles i gassform i rommet 20' ved den ovre del av hovedkammeret 20 og utfores igjennom åpningen 32, mens magnesium i smeltet tilstand avsettes på katodeoverflåtene og flyter oppover og oppsamles på undersiden av trauene 46. Mag-nesiummetallet blir således ledet av trauene og åpningene 48 inn. i oppsamlings- og tilforselskammeret 25.

Et langstrakt reservoar eller oppsamlingsboks 55 er anordnet

nær den ovre del av oppsamlingskammeret 25 og utstrekker seg i det vesentlige gjennom hele lengden av kammeret mellom ende-veggene 22 og 23. Denne kan passende bestå av en lang omvendt metallplateboks fremstilt av vanlig stål eller lignende og om- L fatter en bakre vertikal vegg 56 som utstrekker seg langs skilleveggen 24 over åpningene 45. Undersiden av boksen eller reservoaret 55 er åpen i det minste ved områdene tilstotende veggen 24 og anvendt slik at traktene 48 til de metallfrem-fbrende trau 46 åpner seg inn i bunnen av boksen. Hele reservoaret 55 er slik anordnet at det ligger helt under badets overflate 52. En ende (ikke vist) av boksen 55 er anordnet slik at den kan åpnes fra oversiden, eksempelvis gjennom en egnet tappeanordning (ikke vist) for periodisk fjerning av akkumulert smeltet magnesium fra boksen. Frisk elektrolytt-materiale innbefattende ytterligere mengder magnesiumklorid for elektrolyse kan innfores til cellen gjennom den samme åpning. Detaljer vedrbrende konstruksjon og anordning av boksen 55 og tilhbrende tappeanordninger er vist og beskrevet i det tidligere nevnte U.S. patent nr. 3.396.094.

Et deksel kan også anordnes over oppsamlingskammeret 25 eller deler av dette, såsom en tappebronn. En egnet konstruksjon utgjbres av et ildfast foret, stålmantlet deksel 58, opplagret rundt en horisontal aksel langs forsiden av celleveggen 24,

og anordnet slik at det kan senkes lukkende over hele sidekammeret 25 i cellen. Det er funnet at en slik konstruksjon ikke bare nedsetter oksydasjonen og annen forurensning av badet,

samt effektivt holder på varmen, men muliggjor også en egnet måte for å justere temperaturen i cellen. Således hvis badet er funnet å ha en temperatur over det optimale temperaturområdet for cellens drift, eksempelvis 680°C, kan dekselet heves inntil kjbleeffekten av luft på den blottlagte badoverflate 52 bringer temperaturen til den nevnte bnskede temperatur.

Lignende temperaturkontrollerende effekter kan oppnås med andre termostatiske anordninger, eksempelvis med en neddykningsvarme-veksler med egnet rbrform for sirkulering av et kjblemedium såsom luft, enten under manuell kontroll eller ved hjelp av .

en automatisk, temperaturfblsom ventil. I dette tilfellet kan det ildfaste forede dekslet forbli lukket i et forseglet forhold med sidekammeret 25, bortsett fra to små adkomståpninger for tilfbrsel og uttapning, hvorved det oppnås en forbedret kontroll av oksydasjon og annen forurensning av den frie overflate i sidekammeret 25.

Under drift av cellen vil magnesium utfores oppover og inn i reservoaret 55. Det smeltede bad 62 holdes alltid ved et nivå vel over reservoaret slik at metallet ikke utsettes for hverken luft eller i vesentlig grad holdes i kontakt med metallkonstruk-sjonen som er kontakt med metallet)og det er således intet behov for en relativt hby badtemperatur i den hensikt å forhindre at metalloverflaten skal storkne.

Det således beskrevne apparat er generelt tilsvarende det beskrevet i U.S. patent nr. 3.396.094. Trekkene ved foreliggende oppfinnelse, anvendt i det illustrerte apparat ligger i den spesifikke struktur og anordning av anodene 35 og katodene 40, slik det vil fremgå av det fblgende. Som tidligere angitt består hver anode 35 av en relativt stor flatesidet fast grafitt-

konstruksjon med to motsatt rettede plane sideoverflater 70

og 71, som henholdsvis vender mot de to sidevegger 22 og 23 i kammeret. To av stålplatekatodene 40 som horer til hver anode er henholdsvis anordnet pa motsatte sider av anoden i et adskilt, i det vesentlige parallelt forhold til denne, slik at hver vender mot anodens storre overflater.

Hver katode utstrekker seg horisontalt (fra den fremre til den

bakre del i cellekammeret 20) i en lengde som i det vesentlige er lik utstrekningen av dens tilhbrende anode i den samme ret-

ning, og hver katode utstrekker seg i vertikalretningen fra et nivå som tilsvarer ca. nivået for den nedre ende av dens tilhbrende anode og til et hbyere nivå som i det minste er noe under nivået 52 for det smeltede bad. For denne utfbrelsesform kan den aktive vertikale utstrekning av hver av anodenes sideoverflate betraktes som den del av overflaten som ligger mellom den nedre ende av anoden og det ovre nivå for hver av de tilstotende katoder, mens den aktive vertikale utstrekning av hver av katodenes sideoverflater innbefatter hele katodens overflate.

For å minimalisere anode-katodeavstanden og samtidig unngå kon-

takt mellom frigjort metall ved katoden og gass som frigjbres ved anoden, heller hver av anodens sideoverf later 70 og 71 oppover og utover i det minste gjennom deres vertikale utstrekning,

med en betydelig vinkel i forhold til vertikalen, og hver av katodens sideoverflater 73 og 74 heller oppover, i hele deres vertikale utstrekning, bort fra den tilstotende sideoverflate av dens tilhbrende anode, også med en betydelig vinkel i for-

hold til vertikalen som også er noe storre enn den tilsvarende vinkel for anodeoverflåtene. Fortrinnsvis er helningen for anodens siueoverflater i området 15:1 til 20:1, mens hel-

ningen for katodens Sddeoverflater ikke er storre enn ca.

10:1. I den viste utfbrelsesform av oppfinnelsen og de derav medfblgende fordeler, som nærmere beskrevet i det etterfølgende, heller hver av anodens sideoverflater jevnt i hele dens verti-

kale utstrekning med en helning på ca. 20:1, mens hver av ka-

todens sideoverflater heller jevnt gjennom dens vertikale utstrekning med en helning på ca. 10:1.

I fig. 1 markerer den stiplede linje 75 på anoden 35 en konvensjonell vertikalt orientert anodesideoverflate hvis nedre kant faller sammen med den nedre kant 71a for den viste anodeside-overf late 71. Den stiplede linje 76 representerer en konvensjonell, vertikalt orientert katodesideoverflate som vender mot overflaten 75 og hvis ovre kant faller sammen med den ovre ende 74b i den illustrerte katodesideoverflate 74. I et konvensjonelt arrangement med elektroder med vertikale mot hverandre vendende overflater, slik som indikert ved 75 og 76 vil klorgass utviklet ved anodeoverflaten stige opp fra denne gjen-

nom det smeltede bad 62 som en oppover utspredende ansamling av bobler, hvis yttergrense representeres av den stiplede linje 77. Bobleansamlingens ytre grense divergerer oppover fra den konvensjonelle vertikale anodeoverflate 75 og nærmer seg ti ltagende den konvensjonelle vertikale katodes overflate 76.

For å forhindre at den avgitte gass kommer i kontakt med magnesiummetall som strammer oppover langs den konvensjonelle, vertikale katodes overflate 76 er det nodvendig at den ovre kant av overflaten 76 er adskilt utover fra omhylningen 77 i en for-håndsbestemt avstand. For det konvensjonelle, vertikale elek-trodearrangement er det således nodvendig at den horisontelle avstand mellom overflatene 75 og 76 må være summen av den forhåndsbestemte avstand og den fulle bredde av gassbobleansam-

lingen.

Ved å anvende, en passende helning for anodeoverf laten, men

hvor den nedre kant 71a forblir i den samme posisjon, kan av-

standen mellom katodens ovre kant 74b og det tilsvarende punkt 71b på anodeoverflaten senkes uten i det vesentlige å forandre avstanden mellom katodeoverflatekanten 74b og yttergrensen for gassbobleansamlingen 77. Ytterligere ved å la ka<todeside>-

overflaten helle på en passende måte kan den ovre kant 74b for-

bli i en uforandret stilling og katodeoverflatens nedre kant 74a kan bringes nærmere anodeoverflatens nedre kant 71a, over heledens vertikale utstrekning, idet den hellende katodeoverflate er adskilt utover fra gassbobleansamlingens ytterkant 77 med den forhåndsbestemte avstand som er tLlstrekkelig til å forhindre kontakt og reaksjon mellom frigjort magnesium og klor.

For å fremme en oppadrettet strom av badet mellom anodens og katodens overflater kan den nedre kant 74a for hver katode, slik som vist, være avboyd utover om en horisontal akse. En slik konstruksjon kan erholdes ved å sveise en del av et aksialt horisontalt sylindrisk metallror 79 langs den nedre kant av hver katode, slik at.rorets akse er parallell med planet av katodens siueoverflate 74 og anordnet på den side på denne overflate fra den assosierte anode. Den utad boyde nedre kantkon-figurasjon som således er påfort katodene tilveiebringer en venturilignende effekt med hensyn til å forbke hastigheten av den oppadrettede strbm av bad mellom den nedre kant av katoden og den tilstotende nedre kant av anoden og bidrar til den relativt raske oppadrettede strbm av badet mellom mot hverandre vendende elektrodeoverflater og minimaliserer turbulens i strbmmen.

I den vistsutfbrelsesform er de vendte metalloppsamlende

trau 46 dannet som det hele med katodene 40. Den ovre del av hver av stålplatekatodene40 er bbyd utover ved den ovre del av katodens sideoverflate (dvs. ved 74b i katoden 40") og den ovre kant av denne utover bbyde katodedel er bbyd innover og nedover rundt en akse som utstrekker seg langs lengden av katoden, slik som vist ved 46 til å danne et omvendt trau med en sylindrisk vegg.

I den viste konfigurasjon og plassering er trauene 46 på toppen av katodene 40 formet og anordnet for å unngå at gass inn-fanges i trauene og for å unngå medfbring av turbulens inn i disse.

Om bnsket kan katoder 80 med en tilsvarende konstruksjon som katodene 40 anordnes ved hver ende av hver anode 35 og som henholdsvis utstrekker seg mellom to katoder 40 og som henholdsvis er anordnet på motsatte sider av en slik anode, og som også innbefatter vendte trau 81 som kommuniserer med trauene 46 i de sistnevnte katoder 40, slik at metall som frigjores på overflaten av katodene 80 fores til trauene 46 og fores derfra til oppsamlingskaret 25.

En egnet konstruksjon for anodene 35 er vist i fig. 4-6. , Som vist kan hver av anodene 35 fremstilles fra et antall verti-

kalt langstrakte grafittelementer 84 som er fast forbundet med hverandre langs deres flater, med avskrånende sideflater og med deres,storre, vertikalt forlengede rektangulære overflater anordnet i et koplanart forhold. Et antall hull 85 er borret gjennom den ovre del av hvert av elementene 84 for å muliggjore elektrisk tilknytning av anoden til forbindelsesanordningen 37.

Fig. 6 viser hvorledes enkeltelementer 84 kan dannes fra langstrakte grafittblokker 86 med et rektangulært tverrsnitt ved en langsgående skjæring langs en diagonal. Ved hver ende av blokken 86 er diagonalsnittet 87 anbrakt innad i en avstand fra den tilstotende sidekant 88 av blokken slik at den nedre del av den avskrånende anode får en tilstrekkelig tykkelse til å gi strukturell enhet til anoden under bruk. Helningen for det diagonale snitt 87 méd hensyn til de longitudinale vertikale kanter 89 av blokken 86 er halvpar-ten av helningen som skal gis sideoverf låtene av den ferdig fremstilte anode. En helning for anodeflaten på ca. 20:1 er for tiden foretrukket for praktiske formål idet det gir en grafittanode som hverken er unbdig tykk i dens ovre del og heller ikke unbdvendig tynn ved dens nedre ende.

Når et element 84 er kombinert med de andre elementer 84 til

å gi en anode 35 og montert i cellen som vist i fig. 1, er elementet 84 slik orientert at hver av dens rektangulære sideoverf later har en helning som typisk er ca. 20:1.

Fordi det vannfrie bad i det vesentlige er fritt for bestand-

deler som reagerer med karbonet i grafittanodene vil disse ikke nedbrytes, i det minste ikke i noen progressiv eller kontinuer-

lig måte over forlengede driftsperioder. Det faktum at anodene er tykkest i deres ovre ender hvor sannsynligheten for oksyda-

sjon og/eller andre betingelser som bidrar til nedbrytning er mest alvorlig, vil være behjelpelig med å oppnå en .lang nytte-

tid for anodene, til tross for at de nedre deler av de aktive, områder er relativt tynne.

Den fordelaktige korte avstand mellom tilstotende anode- og katodeoverflater, som anvendes ved fremgangsmåten og i apparatet i henhold til oppfinnelsen, slik som eksemplifisert i de nevnte utforelsesformer, sammen med anodenes skrå konfigurasjon, muliggjor et fordelaktig lavt spenningsbehov og lavt kraftforbruk, kombinert med en hoy strbmutnyttelse.

Som et illustrerende eksempel på fremstilling av magnesiummetall fra magnesiumklorid ved hjelp av en elektrolytisk celle i henhold til foreliggende oppfinnelse var det nodvendig med 13 - 16 kilowatt timer pr. kg fremstilt magnesium, mens i en konvensjonell celle med anoder og katoder med vertikalt orienterte tilstotende overflater medgikk det 20 - 22 kilowatt timer pr. kg produsert magnesium.

Som eksempel på(fremstilling av en anode i henhold til foreliggende oppfinnelse, med en konstruksjon som vist i fig. 4-6,

ble en rektangulær fast grafittblokk (250 cm x 40 cm x 40 cm) kuttet i den lengderetning med en helning på 1:10 (hvor blokkens lengste dimensjon betraktes som vertikalretningen) til å gi to elementer 84 som hver avskråner fra den tykke ende med en tverrsnitt på 40 cm x 32,5 cm - 1,5 mm til den tynne ende med et tverrsnitt pa 40 cm x 7,5 cm - 1,5 mm. Fire av disse elementer hver med 12 utborrede hull med en diameter på 2,2 cm i den ovre del ble limet sammen slik som vist i fig. 5, idet lim oppfores på de overste 90 cm av hver skjot mellom tilstotende elementer. Den ferdige anode med en bredde på 160 cm og en hoyde på 250 cm ble oppmontert i en celle med den originale vertikale side av hvert element forskjovet 2°52' fra vertikalen slik at hver av sideoverflatene av anoden var orientert med en helning på

20:1.

Med denne anode innmonteres et par stålkatoder 40 slik som vist

i fig. 1, hvor hver av katodenes ; sideoverf later vender mot anodens sideoverflate og skråner oppover bort fra denne overflate med en helning på 1:10. Avstanden mellom motstående anode-og katodeoverflater i deres respektive nedre ender er 5 cm.

Hvis det antas at den vertikale utstrekning av katoden fra det nederste målepunkt er 100 cm vil anode-katodeavstanden ved den ovre ende av katoden være 10 cm. Hvis det ble anvendt konvensjonelle vertikal-anoder og-katoder, med tilsvarende dimensjoner, måtte man for å ha den tilsvarende avstand fra gassbobleansamlingens ytterkant ved toppen av elektroden ha en jevn avstand på 15 cm over hele deres vertikale utstrekning.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av magnesium ved elektrolyse i et cellekammer (20) inneholdende en smeltet mag-nesiumkloridelektrolytt, hvori er neddykket minst en anode (35) og minst en katode (40), og hvor gassformig klor frigjort ved anoden (35) stiger til overflaten av den smeltede elektrolytt i form av en gassbobleansamling, hvis omhylning eller yttergrense i det vesentlige har en konstant helning, hvoretter den frigjorte klor føres ut av cellekammeret (20), og hvor smeltet magnesium frigjort ved katoden (40) har en lavere densitet enn hoveddelen av elektrolytten, oppsamles under dennes overflate og føres ut av cellen, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å sirkulere i en oppadrettet strømningsbane som avviker fra vertikalen, idet strømningsbanen er definert mellom motstående sideflater (70, 71 og 73, 74) av minst én katodeplate (40) og minst én anodeplate (35) , hvilke sideflater (70, 71 og 73,74) i strømningsretningen er anordnet i et divergerende forhold, og hvor helningsvinklen for anodeplatens sideflate (7o, 71) i forhold til vertikalen er mindre enn den tilsvarende vinkel for katodens sideflate (73, 74), og hvor avstanden mellom de respektive sideflater innstilles slik at frigjort magnesium og klor ikke forenes, hvoretter den oppadrettede elektrolyttstrøm returneres i en strømningsbane utenfor den oppadrettede strømningsbane og forenes med denne under anoden (35) og katoden (40).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å sirkulere opp mellom anodesideflaten (70,71) og katodesideflaten (73, 74) som henholdsvis har et helningsforhold på minst 15 : 1 og ikke vesentlig større enn 10 : 1.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å sirkulere opp mellom anodens sideflate (70,71) og katodens sideflate (73,74) som henholdsvis har et helningsforhold på ca. 20 : 1 og ca. 10 : 1.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at det anvendes en katode (40) som er avbøyet rundt en horisontal akse parallell med den vertikale utstrekning av katoden (40) og anordnet på motsatt si-de av katoden (40) fra anoden (35) for å fremme en oppadrettet strøm av elektrolytt mellom anoden (35) og katoden (40) .

5. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-4, karakterisert ved at det anvendes en anode (35) med to opp-ad divergerende motsatte sideflater (70, 71), og hvor en katodeflate (73,74) vender mot hver av de nevnte motstående anodeflater (70, 71).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at det anvendes et antall slike anoder (35) med .to oppad divergerende motsatte sideflater (70, 71) og tilsvarende sett motstøtende katodesideflater (40).

7. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-6, karakterisert ved at magnesium frigjort ved elektrolysen og som strømmer opp langs sideflaten av katoden oppsamles i et omvendt trau (46) ved toppen av katoden og føres ut av cellen.

8. Elektrolysecelle for utførelse av fremgangsmåten iføl-ge kravene 1-7, innbefattende et cellekammer (20), minst en anode (35) og minst en katode (40) og hvor anodens (35) og katodens (40) sideflater (70, 71; 73, 74) henholdsvis vender mot hverandre, og hvor et smeltet elektrolytisk bad (62) kan tilveiebringes i kammeret i kontakt med anodens (35) og katodens (40) sideflater (70, 71; 73, 74), samt anordninger (37, 43) for å føre en likestrøm gjennom badet mellom anoden (35) og katoden (40) for elektrolyse av magnesiumklorid, hvorved smeltet magnesium kan avsettes på sideflaten (73, 74) av katoden (40) og strømme oppover langs dennes sideflate (73, 74) og hvor klorgass kan frigis ved anoden (40) for en oppadrettet strøm gjennom elektrolytten inne i en omhylning som divergerer oppad fra anoden med en i det vesentlige konstant helning, samt midler (46) for å oppsamle magnesiummetall fra den øvre del av katoden og for utføring av magnesium fra kammeret (20), karakterisert ved at sideflaten (70, 71) av anoden (35) heller oppover inn mot katoden (40) i den aktive vertikale utstrekning av anodens (35) sideflate (70, 71), med en helning som avviker vesentlig fra vertikalen og er større enn helningen for omhylningen, og hvor sideflaten (73, 74) av katoden (40) heller oppover bort fra anoden (35) over hele dens aktive vertikale utstrekning med en helning som ikke er vesentlig større enn helningen for omhylningen (77)., slik at sideflatene (70, 71, 73, 74) av anoden (35) og katoden (40) divergerer oppad gjennom hele deres respektive vertikale utstrekninger, og hvor de nedre ender av den vertikale utstrekning av katodens (40) sideflate (73, 74) er adskilt fra sideflaten av anoden (35) med en avstand som er tilstrekkelig til å forhindre kontakt og gjenforening av henholdsvis metall og gass frigjort fra katoden (40) og anoden (35), og hvor katode- og anodeoverflåtene sammen definerer et rom for en oppadrettet strøm av elektrolytt (62) der i mellom, og at cellekammeret (20) ytterligere er forsynt med minst en returbane (45, 25) for nedadrettet strøm av elektrolytten på utsiden av dette rom.