NO151374B - Tverrstilt elektrolysecelle for fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en tverrstilt elektro-

lysecelle for fremstilling av aluminium ved hjelp av smelteelektrolyse, og hvor den strøm som tas ut fra katodestavene langs cellens langsider overføres asymme-

trisk ved hjelp av minst fire samleskinner til anode-

bjelken for den påfølgende elektrolysecelle.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumok-

syd oppløses dette oksyd i en fluoridsmelte, som for største delen består av kryolitt (Na., AlF,). Det

katodisk utskilte aluminium samler seg på cellens karbon-

bunn på undersiden av fluoridsmelten, idet overflaten av det flytende aluminium danner katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved vanlige fremstillings-

prosesser består av amorft karbon. Ved elektrolytisk spalting ved anodene oppstår det oksygen, som ved anvend-

else av karbonanoder forbinder seg til CO og CC^.

Smelteelektrolysen finner sted i et temperaturområde fra

omkring 900 til ca. 1000°C.

Det kjente arbeidsprinsipp for en vanlig aluminiumelek-

trolysecelle med forinnbrente karbonanoder vil fremgå av fig. 1, som viser et vertikalsnitt i lengderetningen gjennom en del av en elektrolysecelle. Stålkaret 12, som er foret med en vårmeisolasjon 13 og varmebestandig,

varmedemmende material samt med karbon 11, inneholder fluoridsmelte 10 som utgjør cellens elektrolytt. Det katodisk utskilte aluminium 14 ligger på karbonbunnen 15 i cellen. Overflaten 16 av det flytende aluminium utgjør cellens katode. I karbonforingen 11 er det på tvers av cellens lengderetning innlagt katodestaver 17 av jern, som sørger for å føre den elektriske likestrøm fra karbonfor-

ingen 11 i cellen sideveis utover. I fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbon, som til-

føres elektrolytten en likestrøm. Anodene er over strøm-lederstenger 19 og ved hjelp av låseinnretninger 20 fast forbundet med anodebjelken 21.

Strømmen flyter fra katodestavene 17 i en første celle over ikke inntegnede strømskinner til katodebjelken 21 i den påfølgende celle. Fra" katodebjelken 21 flyter strøm-men over strømlederstengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonforingen 11 tilbake til katodestavene 17. Elektrolytten 10 er dekket av en skorpe 22 av størknet smelte og et aluminiumoksydsjikt 23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10 og den størk-nede skorpe 22 oppstår det i drift hulrom 25. Ved side-veggene av karbonforingen 11 dannes det også en skorpe av størknet elektrolytt, nemlig randskorpen 24. Randskorpen 24 bidrar til å bestemme den horisontale utstrekning av badet av flytende aluminium 14 og elektrolytten 10.

Avstanden d fra undersiden 26 av anodene til aluminium-overflaten 16, som også kalles interpolaravstanden, kan forandres ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av heveverket 27 som er montert på søyler 28. Ved anvendelse av heveverket 27 kan således samtidig samt-lige anoder heves eller senkes. Anodene kan dessuten høydeinnstilles hver for seg på kjent måte ved hjelp av de anordnede låséinnretninger 20 på anodebjelken 21.

Elektrolysecellene er vanligvis anordnet i rekker og plassert på langs eller på tvers av rekkens lengderetning. Elektrolysestrømmen flyter først gjennom de seriekoblede celler i en første rekke og føres til gjennom en eller flere nærliggende bvnsrekker tilbake til den iikeretteren-het som avgir likestrøm til elekrolyseanlegget.

En sådan tiIbakelédnng av strømmen frembringer et vertikalt magnetisk spredefelt H som er angitt ved følgende formel, som gjelder generelt for strømførende ledere: hvor I angir strømstyrken i ampere og r den midlere avstand fra den nærliggende cellerekke i cm.

De magnetfelter som frembringes av nabocellerekken for-styrrer i betraktelig grad den ønskede magnetiske symmetri for en elektrolysecelle, idet disse felt i bestemte områder av celler adderes til cellens egne magnetfelt, mens de i andre områder derimot motvirker cellens egne felt. Det resulterende magnetfelt som fremkommer ved denne overlag-ring frembringer innenfor cellens smeltemetall asymme-triske forhold som sammen med horisontale strømtetthets-komponenter er ansvarlig for metallstrømninger, krumning av metalloverflaten samt svingninger i metallet. Da alle disse fenomener har uheldige virkninger, er det av største viktighet å hensiktsmessig regulere den magnetiske feltfordeling på grunnlag av teoretiske betraktninger og prak-tiske erfaringer.

Det er kjent at feltfordelingen i det flytende elektro-lysemetall kan reguleres på hensiktsmessig måte ved tilsvarende valg av strømfordelingen i den nærmere eller fjernere omgivelse av cellen. Således er det f.eks. oppnådd å gjøre celler på 210 kA symmetriske såvel med hensyn til magnetisk felt som strømtetthet samt å dimensjonere cellene i samsvar med dette. Da det for å oppnå den ønskede feltfordeling ikke bare er nødvendig å ta hensyn til nærfeltenes innflytelse, men også til innflytelse av fjernfelt fra nærliggende cellerekker, er det imidlertid et problem å kompensere virkningen av sådanne fjernfelt i tilstrekkelig grad i en elektrolysecelle.

Fra tidsskriftet "Erzmetall", 27/10, (1974), side 464 kjenner fagfolk på område til at det ved sterkt symmetrisk utførte elektrolyseceller på etterhånd må innbygges usymmetri for å hindre svingninger i det utskilte aluminium. Dette ble oppnådd ved at de katodiske alumini-umskinner ble delt på et bestemt sted, uten at cellen ble gjort strømløse. Denne oppdeling ble utført slik at ikke lenger like mange katodestaver førte strøm utover langs cellens langsider på begge sider av cellens tverrakse.

Denne tidligere kjente utførelse er anskueliggjort i fig. 2, hvori likestrømmen fra en celle 30 føres over katodestaver 17 og katodiske strømskinner 31 til en ikke inn-tegnet tverrbjelke for den påfølgende celle. Den ene strømskinne 31 er- oppdelt ved 32, således at det oppnås en tilsiktet usymmetri i katodetilkoblingen med hensyn på tverraksen 33. Ved denne oppdeling ble det frembragt et oppoverrettet magnetisk tilsatsfelt, således at de magnetiske betingede strømnnger i det flytende metall hoved-sakelig kunne bringes til opphør.

DE-OS 26 53 643 beskriver kompensering av magnetiske felt ved at endene av katodestavene på minst en langside av tverrstilte elektrolyseceller i forskjellig antall for-bindes med strømskinner som føres til anodene for den på-følgende celle. Dette har med hensyn til et magnetisk tilsatsfelt den samme virknng som oppdeling av strømskin-nene. I begge tilfeller er det en ulempe at det frem-bragte tilsatsfelt svekkes ved elektrisk seriekbbling av flere celler etter hverandre.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, og.hvori det magnetiske spredefelt fra nærliggende cellerekker nedsettes eller oppheves, uten at dette påvirker et frembragt tilleggsfelt i den påfølgende celle i rekken.

Oppfinnelsen gjelder således en tverrstilt elektrolysecelle for fremstilling av aluminium"ved hjelp av smelteelektrolyse, og hvori den strøm som tas ut fra katodestavene langs cellens langsider overføres asymmetrisk ved hjelp av fire samleskinner til anodebjelken for den på-

følgende elektrolyseelle.

På denne bakgrunn av prinsippielt kjent teknikk fra bri-

tisk patentskrift nr. 1.368.81, US patentskrift nr.

4.132.621 samt publisert EPO patentansøkning nr. 0.003.712

har så elektrolysecellen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at de katodesamleskinner som fører strøm langs cellens langsider i retning av cellens to tverrsider på

den ene langside av cellen er anordnet i innbyrdes

forskjellig avstand fra cellens lengdeakse, mens de tilsvarende katodesamleskinnene på den annen langside av cellen også er anordnet i innbyrdes forskjellige avstander fra cellens lengdeakse,idet skinnene med den lengre avstand fra cellens lengdeakse, henholdsvis skinnene med den kortere lengdeakse-avstand ligger diagonalt overfor hverandre.

Ved et sådant arrangement av kat odesamleskinnene i hen-

hold til oppfinnelsen kan det i elektrolysecellen oppnås et magnetisk tilsatsfelt, som er rettet motsatt det spredefelt som er frembragt av en nærliggende cellerekke.

Herunder kan avstanden mellom samleskinnene på samme lang-

side av cellen innstilles slik at det magnetiske tilsatsfelt som oppnås ved disse avstander, er av samme størrelse som og motsatt rettet det foreliggende spredefelt fra den nærliggende cellerekke.

Hensiktsmessig er såvel de diagonalt motsatt liggende

lengre avstander for samleskinnene fra cellens lengdeakse som de tilsvarende kortere avstander parvis like store.

Dette er imidlertid ikke ubetinget nødvendig, da alle

følgende utførelsesvarianter er mulig:

De lengre avstander og de kortere avstander er innbyr-

des forskjellige.

De lengre avstander er like, mens de kortere avstander

er forskjellige.

De lengre avstander er forskjellige og de kortere avstander er like.

Den oppnådde usymmetri i henhold til oppfinnelsen frembringes fortrinnsvis ved at de diagonalt motsatt liggende samleskinner med lengre og kortere akseavstander alle er forbundet med like mange katodestaver, hvilket vil si halvparten av antallet katodestaver på vedkommende langside av cellen. I henhold til andre utførelsesformer kan imidlertid diametralt motsatt liggende katodiske samleskinner være tilsluttet like mange katodestaver, hvis antall imidlertid avviker fra halvparten av det totale antall katodestaver på en langside.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor fig. 1 og 2 viser kjent teknikk og er nærmere omtalt ovenfor, og: Fig..3 viser tre tverrstilte celler, hvor hver katode-samleskinne er forbundet med fem katodestavender, nemlig en fjerdedel av det totale antall. Fig. 4 viser tre tverrstilte ovner på samme måte som i fig. 3., h.vor imidlertid to diagonalt motsatte katodeskinner er forbundet med seks katodestavender, méns de to øvrige diagonalt motsatte katodeskinner hver er tilsluttet fire katodestavender.

De seriekoblede,- tverrstilte celler 34 er alle likt ut-ført. Til katodestavene 17 ér det tilsluttet samleskinner 35 - 38, idét skinnen 35 befinner seg i avstand D fra lengdeaksen 39, skinnen 36 i en avstand d, skinnen 37 i en avstand D', og skinnen 38 i en avstand d' fra lengdeaksen 39. Disse katodeskinner 35 38 er forbundet med katodebjelken 41 i den påfølgende celle i samme cellerekke. Plasseringen av den nærliggende cellerekke er antydet med 42. Denne rekke frembringer i cellen 34 et magnetisk spredefelt som er rettet nedenfra og oppover. Hvis den nærliggende cellerekke hadde ligget på motsatt side, ville den ha frembragt et vertikalt spredefelt som var rettet ovenfra og nedover. Katodeskinnen 35 har en avstand fra cellens lengdeakse 39 som er en verdi D-d større enn den tilsvarende avstand for katodeskinnen 36. Likeledes har strømskinnen 37 en avstand fra cellens lengdeakse som er en verdi D'-d' større enn den tilsvarende avstand for strømskinnen 38. I foreliggende tilfelle er D=D' og d=d'

Istedet for en enkelt strømskinne kan henvisningstallet 35

betegne et antall parallelle strømskinner, og det samme er tilfelle med henvisningstallene 36, 37 og/eller 38.

Av de kjente lover i elektrisitetslæren vil det fremgå av katodeskinnene 35 og 36, henholdsvis 37 og 38, på hver sin side av cellens lengdeakse vil frembringe et vertikalt magnetfelt, som er rettet ovenfra og nedover, og som ikke oppheves av de tilsvarende katodeskinner i den forutgående seriekoblede celle, idet disse skinner alle har en større avstand fra cellens lengdeakse enn skinnene i den annen ovn.

Når man betrakter hver fjerdedel av cellen for seg, frem-hever forskyvningen av katodeskinnene inn mot ovnen eller bort fra denne den ønskede magnetiske virkning i henholds-

vis den forutgående og den etterfølgende ovn i rekken.

UTFØRELSESEKSEMPEL.

I dette eksempel skal det vertikale magnetiske spredefelt

fra en nærliggende cellerekke beregnes, og virkningen av forskyvningen av katodeskinnene 35 - 38 i henhold til opp-

finnelsen skal vurderes.

For en strømstyrke på I=160kA og en avstand mellom celle-

rekkene på 36 m kan det ved hjelp av formelen

ved innsetning av de nevnte verdier beregnes et magnetisk spredefelt på

To cellelengdeakser 39 har en innbyrdes avstand på 700 cm. Katodeskinnene 35 og 37 har i dette tilfelle samme avstand fra lengdeaksen for vedkommende celle, nemlig 400 cm.

Også de skinner 36 og 38 som er anordnet nærmere cellen har i foreligehde tilfelle samme avstand fra cellens lengdeakse, nemlig 270 cm. Ved cellens tverrside i områd-et ved lengdeaksen 39 foreligger da f.eks. et vertikalt nedoverrettet magnetfelt, hvis feltstyrke Hz kan beregnes til:

Faktoren K', som har dimensjon av ampere (A), kan i samsvar kjente regler i elektroteknikken for en celle med strøm-styrke 160 kA beregnes til tallverdien 3185 for en leder med begrensét lengde.

Med den samleskinneanordnihg som er angitt i dette utfør-elseseksempel er det således mulig å kompensere et magnetisk spredefelt på 7,1 A/cm fra en nærliggende cellerekke.

Claims (3)

1. Tverrstilt elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved hjelp av sme1 tee 1ektrolyse, og hvori den strøm som tas ut fra katodestavene (17) langs cellens langsider overføres asymmetrisk ved hjelp av fire samleskinner (35, 36, 37, 38) til anodebjelken (21) for den påfølgende elektrolysecelle,' karakterisert ved at de katodesamleskinner (35, 36) som fører strøm langs cellens langsider i retning av cellens to tverrsider på den ene langside av ovnen er anordnet i innbyrdes forskjellig avstand (D, d) fra cellens lengdeakse (39), mens de tilsvarende katodesamleskinnene (37, 38) på den annen langside av cellen og-så er anordnet i innbyrdes forskjellige avstander (D<1>, d<1>) fra cellens lengdeakse, idet skinnene (35, 37) med den lengre avstand (D, D<1>) fra cellens lengdeakse, henholdsvis skinnene (36, 38) med den kortere lengdeakse-avstand (d, d') ligger diagonalt overfor hverandre.

2. Elektrolysecelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at de diagonalt motsatt liggende avstander (D og D') og/eller (d og d<1>) av katodesamleskinnene (35, 37 og/eller 36 og 38) fra cellens lengdeakse (39) er innbyrdes like store.

3. Elektrolysecelle som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at de katodiske samleskinner (35, 38) som fører elektrisk strøm i innbyrdes motsatte retninger på minst en langside av cellen er forbundet med samme antall katodestavender, nemlig halvparten av cellens katodestavender på vedkommende langside..