NO157665B - Elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse og som består av et ytre stålhylster, et varmedemmende isolasjonssjikt og en elektrisk ledende innerforing som er bestandig overfor smeltematerialet og består av karbonblokker som strekker seg i karets tverretning og er utstyrt med nedovervendte åpne spor som forløper i blokkenes lengderetning og strekker seg over minst 20% av blokkenes lengde, regnet fra blokkenes to endeflater, idet massive jernstaver er innsatt i sporene og rager ut fra blokkenes endeflater i begge ender av blokkene.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne oksyd i en fluoridsmelte som for størstedelen bestar av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. Ned i smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved den vanligvis anvendte fremgangsmåte består av amorft karbon. Ved elektrolyttisk spalting av aluminiumoksyd utvikles oksy-gen som forbinder seg med anodenes karbonmateria 1 til CC^

og CO. Elektrolysen fin.ner sted innenfor et temperaturom-råde på ca. 940-970°C. Elektrolysekarenes innerforing består av karbonblokker, hvori det er anordnet minst en gjen-nomgående eller midtoppdelt jernstav. For å bidra til lavest mulig spenningsfall i cellen, må den elektriske overgangsmotstand mellom jernstavene og karbonblokkene være minst mulig.

For fagfolk er det kjent forskjellige slags forbindelser mellom karbonblokk og jernstaver, f.eks.:

innstamping med en stampemasse,

innstøping med støpejern, og

innklebning.

Karbonblokkene og jernstavene forekommer i foreliggende elektrolysekar i forskjellige dimensjoner med hensyn på

lengde, bredde og høyde såvel som sporformat.

Ved opprettelse av forbindelsen mellom karbonblokken og jernstavene er for nærværende innstøpningsteknikken vidt utbredt. Jernstavene, som er innlagt i spor i karbonblokkene, blir da omstøpt med støpejern for forbindelse med karbonmaterialet. Jernstavene og karbonblokken forvarmes sammen og avkjøles etter innstøpningen til omgivelsestemperatur. Da varmeut-videlse og sammentrekning er flere ganger større for jern enn for karbon,oppstår det ved avkjølingen en spalte mellom karbonmaterialet og støpejernet. Når karbonblokken med innlagte jernstaver er innbygget i en elektrolysecelle, så vil denne spalte først lukke seg når temperaturen er steget i sådan grad at elektrolysecellen kan settes i gang, således at den elektriske og mekaniske kontakt mellom jern og karbonmaterial blir bedre. Hvis imidlertid den spalte som er dannet ved rna teria Isammentrekningen sluttes før arbeidstemperaturen er nådd, så kan imidlertid den raskere utvidende jernstav, virke så sterkt på karbonmaterialet i katoden at det oppstår sprekker i denne.

Støpejern oppviser den ulempe at det har en forholdsvis lav elektrisk ledningsevne. Ved innstøpte jernstaver på vanlig måte er videre ofte kontakttrykket i arbeidsstilling util-strekkelig til at den ønskede lave elektriske overgangsmotstand fra karbon til jern oppnås. I dette tilfelle vil den elektriske strøm ikke flyte den korteste vei gjennom karbon-bunnen i elektrolysekaret, men gjøre en omvei, idet strømmen ikke vil tre inn gjennom den øverste del av jernstavens overflate, men gjennom dens sideflater. De to omtalte faktorer kan frembringe et spenningsfall, f.eks. opptil en tiendedels volt, hvilket gir seg negativt utslag i elektrolysecellens energiballanse. Som beskrevet iJ. Electrochemica1 Techno-logy, bind 5, nr. 3-4, (1967), sidene 152-154, er det alle-rede for noen tid siden forsøkt å bringe en jernstav direkte i forbindelse med karbonblokken. I karbonblokken ble det da anordnet et hull tilsvarende jernstaven, som ble innført i hullet uten stampe-støpe- eller klebemasse. Da det imidlertid i den forholdsvis lange tid som er godt siden dette for-slag ble fremsatt, ikke er kjent at det er bygget noen smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium etter dette prinsipp, har denne fremgangsmåte åpenbart ikke vist seg hensiktsmessig i praksis.

I henhold til denne publikasjon må jernstaven ved arbeidstemperatur ligge i tett anlegg mot karbonmaterialet. I praksis kan imidlertid dette neppe gjennomføres. Under elektrolyseprosessen vil det som følge av selv de minste unøyaktig-heter enten bli for sterk elektrisk overgangsmotstand fra grafitt til jern eller oppstå sprekker i gra fikkblokken, hvilket vil nedsette elektrolysekarets levetid i en grad som ikke kan godtas i praksis.

Det er således et formål for oppfinnelsen å unngå de ovenfor angitte ulemper ved innstøping av jernstaver i karbonblokker, uten at dette nedsetter elektrolysekarets levetid, men istedet reduserer overgangsmotstanden mellom karbonmaterial og jernstaver.

Dette oppnås ved elektrolysekar i henhold til oppfinnelsen ved at sporene i karbonblokkene er utført med tverrsnitt som ved en temperatur i området 500 til 850°C nøyaktig tilsvarer tverrsnittet av jernstavene oppvarmet til samme temperatur, og jernstavene under pågående smelteelektrolyse rager ut fra de åpne spor med den nederste del av sin sideflate over hele sin lengdeutstrekning.

Forsøk har vist at sporet ved vanlige dimensjoner av karbonblokk og jernstav ved sin nedre åpning vil sprike ytterligere 1 mm, før det oppstår sprekkdannelser i karbonmaterialet eller til og med en karbonflik brytes av. En viss elastisi-tet av karbonblokkene er av vesentlig betydning ved forank-ring av jernstavene uten innstøpning.

Dette skal vises ut i fra den foretrukkede temperatur på ca. 700°C. Ved denne temperatur har sporet og den deri innlagte jernstav nøyaktig samme tverrsnitt, hvilket vil si at jernstaven langs hele sin ytterflate ligger tett an mot kar-baonmaterialet, men uten å utøve noe trykk mot dette. Ved høyere temperaturer, nemlig over 700°C, f.eks. ved elektro-lysetemperaturen på 940-970°C ved fremstilling av aluminium, vil jernstaven utøve et trykk på karbonmaterialet. Takket være elastisiteten av de sprikende karbonfliker oppstår imidlertid ingen sprekker, hvilket ville finne sted ved utforming av et hull istedet for et spor.

En del av vekten av karbonforingen er omtrent jevnt fordelt på de jernstaver som rager ut fra karbonblokkene. Derved vil disse jernstaver i arbeidsstilling utøve trykk mot det tilsvarende utformede øvre området av sporet, også i det tilfelle jernstavenes tverrsnitt vil være mindre enn sportverr-snittet. Dette flatetrykk har til følge at det opprettes en minst mulig overgangsmotstand fra karbonmaterial til jern i det nevnte område, som faktisk ligger nærmest det flytende aluminium som danner elektrolysecellens katode. Spenningsfallet nedsettes således på grunn av to faktorer, nemlig: overgangsmotstanden karbonmaterialet/jern,

spenningsfallet i elektrolysekarets karbonforing.

Jernstavene kan på kjent måte strekke seg over hele karbonblokkenes lengdeutstrekning eller være delt på midten med større eller mindre innbyrdes avstand mellom delene. Det er kjent at ved smelteelektrolyse av aluminium vil størstedelen av den elektriske strøm flyte i de ytre områder av elektrolysekarets jernstaver. Det er derfor tilstrekkelig at jernstavene fra begge endeflater av karbonblokkene strekker seg innover minst 20% av karbonblokkenes totale lengdeutstrekning henimot karets midtområde. Midt i karbonblokkene kan således jernstavene være adskilt over en lengde tilsvarende

I

60% av blokklengden. Sporene kan strekke seg over karbonblokkenes samlede lengde eller over en lengdeandel som tilsvarer jernstavenes lengde, hvorunder imidlertid henholdsvis jernstavenes ender og sporets sidevegger er adskilt med et fortrinnsvis 0,5 - 1 cm bredt hulrom.

De jernstaver som fortrinnsvis rager ut omkring 0,5 - 1,5 cm fra karbonblokkenes bunnflate, og de tilsvarende utformede spor kan ha hvilken som helst hensiktsmessig geometrisk form. Fortrinnsvis har imidlertid jernstavene og det tilsvarende spor, i det minste over sitt øverste parti i arbeidsstilling et avrundet tverrsnitt. Dette medfører den vesentlige fordel at kilevirkningen nedsettes ved sprikning av de fliker av karbonblokken som omgir jernstavens sider, hvilket vil si at ved oventil avrundede spor vil sprekkdannelse opptre først ved større trykk fra jernstavene enn ved hjørneformede spor.

Særlig jernstaver med sirkelrundt tverrsnitt og tilsvarende utformede spor er fordelaktig, da: runde staver har den minste mulige overflate ved konstant tverrsnitt, hvilket betyr samme elektriske ledningsevne ved mindre varmetap, blokkenes fashet, forhøyes i vesentlig grad, da ingen kilevirkning vil opptre, - den elektriske kontaktmotstand mellom karbon og jern kan nedsettes på grunn av det høyere maksimale kontakttrykk,

det kan utspares i stålhylsteret enkle runde stavvinduer, som lett kan tettes med forut fremstilte materialer, og

- stavenes fremstilling blir særlig enkel.

Det vesentlige særtrekk ved innsetting av jernstaver i et elektrolysekar i henhold til oppfinnelsen med tilsvarende ut formede spor, hvis åpning i arbeidsstilling vender nedover, ligger i at jernstavene gjennom stavvinduene kan skyves gjennom stavvinduene i stålkaret inn i elektrolysekarets indre ved omgivelsestemperatur.

Hensiktsmessig har disse stavvinduer samme geometriske ut-formning som jernstavenes tverrsnitt. Fortrinnsvis er stavvinduene bare litt, helst 0,5-2 cm, større enn de lineære dimensjoner av jernstavtverrsnittet, hvilket vil si at jernstavene bare med lite spillerom føres gjennom stavvinduene inn i karets indre. I dette tilfelle er det lett å avtette fugemellomrommet.

Hvis jernstavene i det minste nedentil er rektangelformet eller smalner av i retning oppover, kan de anbringes på isolasjonsskiktet rett overfor de utformede spor, hvoretter karbonblokkene senkes ned på jernstavene.

Ved alle stavtverrsnitt er det imidlertid å forétrekke, og ved runde tverrsnitt av jernstavene er dette av geometriske grunner vanligvis nødvendig-t karbonblokkene senkes ned til en liten avstand, f.eks. 0,5 - 2,5 cm^over isolasjonsskiktet, hvorpå jernstavene skyves inn i sporene og karbonblokkene tilslutt nedsenkes fullstendig. Disse vil da hvile på jernstavene, som rager ut av sine spor.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart under henvisning til den vedføyde tegning som i sin eneste figur viser et utfør-elseseksempel av foreliggende oppfinnelsesgjenstand. Denne figur viser således et skjematisk vertikalsnitt gjennom en karbonblokk med to jernstaver i arbeidsstilling, men før fullstendig nedsenkning av blokkene.

Karbonblokken 10 med rektangulært tverrsnitt inneholder runde jernstaver 12 som forløper parallelt med blokkens lengderetning i tilsvarende utformede spor 14 med sin åpning vendt nedover. To fliker 16 av karbonblokken 10 omslutter i U-form jernstavene 12. Når jernstavene 12 ved arbeidstemperatur ut-øver et trykk mot karbonblokken 10, opptas dette trykk ved at flikene 16 bringes til å sprike fra hverandre i tilsvarende grad. Kantene 18 av disse fliker 16 er fortrinnsvis avrundet eller avskåret.

Etter fullstendig nedsenkning hviler de innsatte karbonblokker 10 i elektrolysekaret langs generatriselinjer 20 på jernstavene 12 ovenpå det ikke inntegnede isolasjonsskikt i karet. Derved trykkes det øvre område av jernstavene 12 ved flatekontakt mot det tilsvarende område av sporene 14, således at overgangsmotstanden fra karbon til jern blir minst mulig. Den elektriske likestrøm kan da f lyte den mest direkte vei fra karbonblokkenes overside og med liten overgangsmotstand nærme seg jernstavene 12 i retning av de angitte piler.

De vesentlige fordeler ved foreliggende oppfinnelse kan sam-menfattes på følgende måte: Jernstavene behøver ikke lenger å innstøpes, innklebes eller innstampes, men kan på enkel måte skyves inn gjennom stavvinduer i et tilsvarende, nedentil åpent spor i karbonblokken. Dette betyr besparelser med hensyn til energi, material, arbeidstid, utstyr og verkstedsplass. - Karbonblokkene er ikke lenger utsatt for de farer ved inn-støpning som opptrer under transport, forvarming, innstøpning og håndtering.

Spenningsfallet under elektrolyseprosessen kan reduseres med opptil 0,1 volt i katodedelen.

Claims (5)

1. Elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse og som består av et ytre stålhylster, et varmedemmende isolasjonsskikt og en elektrisk ledende innerforing som er bestandig overfor smeltematerialet og består av karbonblokker (10) som strekker seg i karets tverretning og er utstyrt med nedovervendte åpne spor som forløper i blokkenes lengderetning og strekker seg over minst 20% av blokkenes lengde, regnet fra blokkenes to endeflater, idet massive jernstaver (12) er innsatt i sporene og rager ut fra blokkenes endeflater i begge ender av blokkene,karakterisert vedat sporene (14) i karbonblokkene (10) er utført med tverrsnitt som ved en temperatur i området 500 til 850°C nøyaktig tilsvarer tverrsnittet av jernstavene (12) oppvarmet til samme temperatur, og jernstavene (12) under pågående smelteelektrolyse rager ut fra de åpne spor (14) med den nederste del av sin sideflate (20) over hele sin lengdeutstrekning.

2. Elektrolysekar som angitt i krav 1,karakterisert vedat tverrsnittet av sporene (14) i karbonblokker (10) som er oppvarmet til 700°C, nøyaktig tilsvarer tverrsnittet av jernstaver (12) som er oppvarmet til samme temperatur.

3. Elektrolysekar som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat jernstavene (12) under elektrolyseprosessen rager ut 0,5 - 1,5 cm fra karbonblokkenes underside.

4. Elektrolysekar som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat sporene (14) i karbonblokkene (10) og de tilsvarende jernstaver (12) i det minste oventil har avrundet tverrsnitt i arbeidsstilling.

5. Elektrolysekar som angitt i krav 4,karakterisert vedat tverrsnittet av sporene (14) og jernstavene (12) er sirkelrundt.