NO163966B - Aluminiumreduksjonscelle. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører aluminiumsreduksjons-celler og spesielt problemet med katodestrømsamling deri. Disse celler er av en type hvori elektrolytten omfatter smeltet kryolitt Na^AlF^ inneholdende oppløst aluminiumoksyd A^O^ og elektrolysen utføres mellom en

anode opphengt i elektrolytten og en katode på cellebunnen. I vanlige celler er bunnen av karbon og deri er det innstøpt stålelementer forbundet med den utvendige elekt-risitetskilde. Den innvendige karbonforing overfører den elektriske strøm til stålforbindelseselementene, men karbon er en temmelig dårlig elektrisk leder, med det resultat at cellespenningen er høyere enn den ville være hvis en bedre katodestrømssamler ble anvendt.

US patent 3093570 og britisk patentsøknad 2065174 viser begge katoder at titandiborid Til^ montert i aluminiums-plater for forbindelse med den utvendige elektrisitets-kilde. TiB2 er en bedre elektrisk leder enn karbon; men det er dyrt og vanskelig å forme og har lav mekanisk styrke og en termisk ekspansjonskoeffisient som er meget stør-re enn karbonets eller aluminiumoksyd eller for annet innvendig foringsmateriale.

Delvis p.g.a. elektrolyttens inntrengning, hvilket er uunngåelig, er celleforingen generelt ikke dimensjonssta-bil. Under forløpet av en celledrift ekspanderer normalt foringen, men ekspansjonen er ikke jevn. Følgelig utsettes katodestrømsamlere innstøpt i cellebunnen og vegger sammen trykningskref ter og skjærkrefter på for en uforutsigbar måte. Monolittiske Til^ strømsamlere reagerer på slike krefter med å brekke, hvilket påvirker deres strømbærende evne sterkt. Av alle disse grunner har ikke faste Ti-'& 2 katoder vært noen særlig kommersiell suksess.

Det ville være lett og billig å bruke katodestrømsamlere av aluminiummetall. Det faktum at aluminium smelter (660°C) langt under de normale celledriftstemperaturer (950 - 980°C) betyr at høytemperaLurenden av slike sma-lere ville være flytende, men dette gjør det i prinsipp ikke uegnet. Imidlertid finner man i praksis at termisk konveksjon og magnetiske effekter bevirker effektiv omrø-ring av det smeltede metall. Dette fører til en nedadgå-

ende bevegelse av grenseflaten mellom fast/flytende fase og en uønsket økning i termisk ledning. Også krystallisasjonen av aluminiumoksyd, kryolitt og andre faser kan opptre i det smeltede metall. Av disse greunner kan slike samlere ikke brukes med mindre man tar spesielle forholdsregler.

I US patent 3607685 beskrives forskjellige konstruksjoner

av katodestrømssamlere som skal overvinne disse vanskeligheter. En konstruksjon omfatter et utvendig kjeramisk rør som inneholder flere parallelt adskilte kjeramiske staver eller fibre omgitt av smeltet aluminium; stavene eller fibrene, som skal hindre smeltet metallsirkulasjon, kan være laget av eller belagt med et materiale som fuktes av metallisk aluminium. Andre konstruksjoner anvender alumi-niumlegeringer som har høyere smeltepunkter og høyere vis-kositeter enn primært handelsaluminium. Ennå en annen konstruksjon benytter lederenheter som omfatter et kjeramisk rør og en aluminiumkjerneleder, idet høytemperaturenden av hver er plassert på bunnen av en bolleformet fordypning i den innvendige celleforing.

Alle konstruksjoner i dette patentet er karakterisert ved

at den del av katodestrømsamleren som slutter til den smeltede aluminiumskatode (underlaget) er smeltet og blan-der seg med underlaget. Søkeren har funnet at denne bruk av smeltet metall som leder for elektrisitet i den øvre del av samleren medfører sterke begrensninger av konstruksjonen og plasseringen av samleren. Samlere av denne type ville bare virke godt hvis de tilhørende magnetiske felter holdes på et minimum. Medmindre dette gjøres, og medmindre tverrsnittet av samleren holdes på et lavt nivå,

gir magnetisk røring høy hastighet av smeltet metall hvilket fører til de ovenfor omtalte problemer.

I nevnte patent foreslås bruk av kjeramiske staver eller fibre i det smeltede metall for å motvirke magnetisk rør-ing. Det angis også at bruk av granulært kjeramisk materiale ikke er effektivt for formålet. Søkeren har imidlertid funnet at det i praksis er vanskelig å konstruere katode-strømsamlere som inneholder nok (ikke ledende) kjeramisk materiale til å motvirke magnetisk røring, men ikke desto mindre inneholder tilstrekkelig smeltet metall til å gi tilstrekkelig elektrisk ledningsevne.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne dette problem ved bruk av kjeramiske materialer som er elektrisk ledende og som fyller en vesentlig del av samlerens volum,

i forbindelse med smeltet metall. Flere konstruksjoner er beskrevet som utnytter den nye kombinasjonen.

Oppfinnelsen tilveiebringes således ved en aluminiumsreduksjonscelle inneholdende en innvendig foring hvori det er innstøpt minst en katodestrømsamler (samler, samlestang) inneholdende et tverrsnitt omfattende en hoveddel av volu-met av adskilte elektrisk ledende aluminiumsfuktbare legemer i forbindelse med eller omgitt av en liten volumandel aluminiumholdig metall, idet delen er slik plassert at metallet er minst delvis flytende når cellen er i drift.

Volumdelen av de metall-fuktbare legemer bør velges i forbindelse med konstruksjonen og tilsiktet plassering av samleren i cellen slik at den er tilstrekkelig til hovedsakelig å forhindre rask metallbevegelse som et resultat av magnetisk røring. Normalt vil andelen omfatte minst 60 volum% og ofte mer enn 80 volum- av metallfuktbare legemer, mens metallet opptar det resterende volum. Normalt, men ikke alltid, vil metallfuktbare legemer føre minst 30% og ofte mer enn 50% av den elektriske strømmen med det smeltede metall som bare bærer en mindre del. I disse tilfeller kan det smeltede metall betraktes som en fleksibel kobling som gir elektriske forbindelser mellom tilstøtende metallfuktbare legemer. Under drift er slike samlere mindre utsatt for ødeleggelser som skyldes dimensjonsforand-ringer i den innvendige foring enn monolittiske stenger av kjeramisk materiale ville være.

De metali-fuktbare legemer foreliggende fortrinnsvis i en tettpakket anordning (dvs. at hvert legeme berører sin nabo). Legemene kan ha form av pulvere eller granulat eller små biter med uregelmessig form. Alternativt kan de ha form av plater eller skiver med flater lik samlerens tverrsnitt, stablet sammen under dannelse av samleren.

Fortrinnsvis brukes regelmessige former med mindre tverrsnitt enn tverrsnittet til samleren, men stort nok til ikke lett å forskyves av magnetisk røring i det smeltede metall. Således vil et statistisk tverrsnitt av samleren generelt inneholde tverrsnitt av noen få, f.eks. 2 til 8'former som foreligger side om side. Det kan være kuleformer for enkel fremstilling. Men av forskjellige driftsgrunner foretrekker man at formene er kubiske eller kuboide, og spesielt at formene er anordnet med noen flater parallelle med lengdeaksen til strømsamleren og andre flater loddrette på aksen. Når formene er kuboide er det i allminnelighet foretrukket å innrette dem med lengdedimen-sjoner parallell med samlerens akse.

En fordel som følger av bruken av kubiske eller kuboide (rektangulære) former, er at de pakker seg godt sammen og opptar en hoveddel nær 100 % av samlerens del. I mellomrommene mellom formene foreligger metall hovedsakelig i form av tynne filmer. Selv om dette metall som formene er innstøpt i blir smeltet under drift av cellen, minimalise-rer dets lille volum konveksjon og magnetiske røreeffekter som tidligere har forårsaket problemer.

En annen fordel er at strømsamleren med f.eks. sylindrisk form og satt sammen av en rekke kubiske eller kuboide former anordnet parallelt og loddrett på lengde aksen og inn-stø<p>t i Al-holdig metall, er temmelig bestandig overfor radielle kompresjonskrefter. Anordningen er ikke lett å trykke sammen eller forlenge i aksialretningen, slik til-fellet ville være hvis formene f.eks. var kuler. På den annen side gir anordningen lett • skjærkrefter, spesielt i loddrett retning på samlerens lengdeakse. Ettersom anordningen gir etter for skjærkrefter, opprettholder det flytende metall elektrisk ledning.

Legemene eller formene formes av elektrisk ledende Al-fuktbart materiale som er bestandig overfor angrep både av smeltet Al og av celleelektrolytt, men hvis natur ikke ellers er kritisk. Et egnet materiale er titandiborid (TiB.,); og et annet er et Til^/Al blanding som inneholder en tilstrekkelig lav andel Al til å forbli fast under de herskende betingelser, f.eks. som beskrevet i europeisk patent 115688; og ennå et annet er et TiB^/ A^O-j/Al materiale inneholdende en tilstrekkelig høy andel TiB^ til å ha tilstrekkelig elektrisk ledningsevne, f.eks. som beskrevet i europeisk patent 116809. I disse tilfeller beskytter det Al-holdige metall ytterli-gere formene mot korrosjon. Ved høyere temperatur er be-standighetene for disse materialer smeltet Al: TiB2/Al cermet: TiB2: TiB2/Al203 blanding - ca. - 25: ca.

50: 60 til 70: og større enn 100 mikro-ohm pr. cm hen-holdsvis .

I de vedlagte tegninger viser:-

Figur 1 et snitt sett fra siden gjennom en del av en aluminiumsreduksjonscelle som viser en konstruksjon av kato-des tr øms am ler en ; Figur 2 viser tilsvarende en forskjellig konstruksjon; Figur 3 er et snitt fra enden langs linjen 3-3 i figur 2; og Figur 4, 5 og 6 tilsvarer figur 1, men viser andre konstruksjoner av katodestrømsamleren.

Like henvisningstall angir like deler på forskjellige figurer.

På figur 1 omfatter en aluminiumreduksjonscelle en anode 10, smeltet kryolitt-basert elektrolytt 12, et sjikt av smeltet aluminiummetall 14 som danner katoden, og innvendig celleforing 16 idet det hele hviler på en plate 18 av aluminiummetall. En katodestrømsamler innstøpt i den innvendige foring omfatter en øvre del bestående av en rekke kubiske former 22 omgitt av aluminium som i det minste delvis er flytende når cellen er i drift og en lavere del bestående av en fast stang 24 av aluminiummetall. Formene 22 er av elektrisk-ledende metallfuktbart kjeramisk materiale som både er bestandig mot smeltet aluminium og celleelektrolytt såsom titandiborid. Den øvre delen har kvadratisk tverrsnitt 5 cm x 5 cm og inneholder sjikt av fire kuber. Delen kan formes ved vakuumimpregnering av kubean-ordningen med smeltet Al.

I figur 2 og 3 omfatter en katodestrømsamler innstøpt i den innvendige celleforing 16 en øvre del bestående av tre Dlater 26 plassert loddrett og koblet med aluminium som i det minste delvis er flytende når cellen er i drift, og en nedre del bestående av en fast stang 24 av aluminiummetall. Toppkantene av platen 26 er i kontakt ved 28 med sjiktet av smeltet aluminiummetall 14 i cellen, og er an-bragt i en fordypning 36 utformet i den innvendige foring 16 som er fylt med faste metallfuktbare kuler 34, f.eks. dannet av eller belagt med TiB2 , med smeltet metall i mellomrommene. Hver plate 26 har en lengde svarende til lengden av delen og en bredde svarende til halvparten av bredden av delen, idet både lengde og bredde er store sam-menlignet med tykkelsen, slik at samleren har et rektangu-lært tverrsnitt. Platene er fortrinnsvis av en TiB^/Al sammensetning.

1 figur 4 omfatter en katodestrømsamler innstøpt i den innvendige celleforing 16 en fast kappe 20 (som kunne utelates) i kontakt med de smeltede metallinnhold, en øvre del bestående av et laminat av fire sjikt av blader 30 av TiB2, og en nedre del bestående av en fast stang 24 av aluminiummetall. Bladene 30 er sammenkoblet og omgitt av aluminiummetall som i det minste er delvis flytende når cellen er i drift. Under drift har det vært bevegelse av den innvendige foring, hvilket har ført til at katode-strømsamleren er blitt forvridd. To av bladene 30 er blitt brukket ved 32, men gapene er fylt med smeltet metall, slik at den elektriske ledningsevne i det vesentlige er uendret.

På figur 5 er metallunderlaget 14 vist stabilisert av et monosjikt av de faste metallfuktbare kuler 34. Toppenden 38 av en katodestrømsamler er plassert på bunnenden av en fordypning 36 i den innvendige foring. Samlerstangen omfatter en øvre del av en stabel av plater 40 på hverandre dannet av et Til^/Al sammensatt materiale inne i et rør 42 av A^O^. De enkelte plater kan fremstilles ved varmpressing. Stabelen av plater er støpt inne i A^O^ røret i aluminiummetall for å gi elektrisk forbindelse.

På figur 6 er cellen vist med et smeltet metallunderlag 14 stabilisert med metallfuktet pakning 34, men det smeltede metallunderlag behøver ikke å være stabilisert. En fordypning 36 er fylt med den metallfuktede pakning med smeltet metall i mellomrommene som er av en slik størrelse at elektrolytt og slam forhindres i å trenge inn. Katodestrøm-samlerens øvre ende er plassert ved bunnen av fordypningen og består av en fast blokk eller hette 20 av TiB2- En øvre del av samleren er en stang 44 av pulver eller granulat i en matrisse av aluminiummetall som går mellom 950°C og 500°C isotermene. Pulveret eller granulatet kan være av TiB2/Al202, men er fortrinnsvis av det TiB2/Al202 materialet som er beskrevet i europeisk

patent 116809. Stangen kan være dannet ved pakning av aggregatet av pulver og granulat i den ønskede form, vakuumimpregnering av dette med smeltet Al og avkjøling av produktet.

I et eksempel omfattet aggregatsjiktet legemer av tre forskjellige størrelsesområder: kuler opptil 19 mm diameter; granulater 2-3 mm av størrelse; og pulver under 75 u. Som følge av den store andel (mer enn 80 volum"/) faste materiale i stangen, fører dette materialet en hovedsakelig del av den elektriske strøm. Videre behøvde den elektriske strøm ikke å følge en buktet bane gjennom det smeltede metall hvori det faste stoff var dispergert, hvilket kunne gi magnetohydrodynamiske krefter. Sådann rask bevegelse av det smeltede metall som resultat av magnetisk røring, og følgelig forskyvning av det faste materialet, ble effektivt dempet.

Den nedre ende av stangen 44 er sveiset ved 46 til en fast aluminiummetallstav 24. Cellen er vist med et stålskall 48, og staven 24 går gjennom skallet til en aluminium-samleskinne 50 gjennom en luftforsegling 52 av en støpbar aluminiumoksydforbindelse eller kjeramisk fibertau. Staven 24 og samleskinnen 50 er dimensjonert for å fjerne tilstrekkelig varme fra samlestrukturen til at skjøten 46 holdes på ca. 500°C. Den innvendige foring er vist i to sjikt, et innvendig sjikt 16 av tabulært aluminiumoksyd-aggregat og et ytre sjikt 54 av metallurgisk kvalitet aluminiumoksydpulver.

Mange forandringer er mulige i de viste konstruksjoner som beskrevet nedenunder.

I aluminiumreduksjonscellen ifølge foreliggende oppfinnelse er typen av anode og elektrolytt og katode ikke kri-tiske og kan være som i konvensjonelle celler. Spesielt kan katoden bestå av en damm av smeltet metall som ligger over bunnen av cellen. Det er kjent at magnetohydrodynamiske forstyrrelser kan bevirke virvling av metallet og bølgedannelse og at dette kan dempes ned ved skjermer eller faste gjenstander i metalldammen. Eventuelt kan katoden heves over nivået for grenseflaten smeltet metall/ elektrolytt. Alternativt kan cellen drives i tom tilstand med en fast katode, idet smeltet metall ettersom det formes får strømme til et trau for tapping.

Det er fordel ved katodestrømsamlere ifølge foreliggende oppfinnelse at de tillater bruk av elektrisk ikke-ledende celleforingsmateriale såsom aluminiumoksyd. Således kan mesteparten av cellehulromrnet være fylt med pulverformet M^ O^ pakket så godt som mulig, med minst et sjikt av tett, tabulært A^O^ aggregat eller steiner plassert på toppoverflaten. Ved vanlige karboncelleforinger kan det altså være en fordel å bruke katodestrømsamlere ifølge foreliggende oppfinnelse i stedet for å basere seg på den temmelig dårlige elektriske ledningsevnen til karbon.

Andre trekk ved cellene ifølge foreliggende oppfinnelse kan være som beskrevet i norsk patentansøkning nr. 84.4738. Spesielt kan den varme enden av strømsamleren befinne seg på bunnen av en fordypning i cellens bunn. Fordypningen kan være sirkulær eller være langstrakt i en retning rettvinklet på det magnetiske feltet i en smeltet metalldamm i cellen, slik at det dannes et trau. Fordypningen kan være fylt med metallfuktbare legemer med mellom-rom, som når cellen er i drift fylles med smeltet aluminium og av en størrelse som forhindrer inntrengen av elek-trolyttslam.

En katodestrømsamler strekker seg fra en varm ende i kontakt med celleelektrolytt eller med en smeltet Al på bunnen av cellen til en kald ende hvor den er forbundet med det ytre skallet til cellen eller med en utvendig samleskinne. Samleren, og celleforingen den er innstøpt i, utvikler under drift en temperaturgradient fra 950 til 980°C i cellen til kanskje 200°C på utsiden. Elektrolyttens gjennomtrengning av celleforingen fortsetter inn-til elektorlytten når tørket tilstand, hvilket kan ligge i området 650-880°C, avhengig av foringstypen.

Det er der hvor gjennomtrengning av foringen med elektrolytt, og følgelig ekspansjon eller vridning av foringen, kan skje, at den del av strømsamleren som omfatter rekken av former innstøpt i metall er spesielt anvendelig. På sin

.varme ende kan denne delen være i direkte elektrisk og

termisk kontakt med cellens flytende innhold. Alternativt kan samlerens varme ende bestå av en monolittisk blokk av kjeramisk materiale såsom TiB2, med delen bestående av en rekke innstøpte former i metall plassert på den kalde siden av blokken. På sin kalde ende kan delen være koblet til en fast metall-leder, f.eks. til en Al stang forutsatt at forbindelsen befinner seg ved en temperatur ikke over 500°C.

Katodestrømsamlerdelene kan være fremstilt ved støping av de Al-fuktbare former i en smelte av Al-holdig metall. Et problem er det at formene ikke alltid fuktes fullstendig med metallet under den relativt korte tiden støpeprosessen tar. Dette spiller ingen rolle forutsatt at metallet smeltes på nytt under driften av cellen. Hvis imidlertid en del av delen forblir under metallets smeltepunkt (dvs. gjerne under ca. 660°C) under cellens drift, kan dårlig fukting av formene føre til for stor elektrisk motstand.

En løsning på dette problemet er å plassere delen slik at det Al-holdige metall som formene er innstøpt i er flytende gjennom lengden av delen når cellen er i drift. Således kan delen omfatte en stang støpt med former bare plassert i den del som skal smeltes under drift. En lett måte å fremstille slike strømsamlere på, er å på en form med en liten lavere del og en større øvre del som ved stø-ping når den snus danner strømsamleren for cellen. Før smeltet aluminium helles inn pakkes rekken av former i den nedre del til en slik høyde at når den snudde støping inn-stalleres i cellen, er de rett over den tilsiktede posi-sjonen for grenseflaten fast aluminium/flytende aluminium. Idet de er tyngre enn det flytende metallet, vil de synke litt under celledriften til selve grenseflaten. Sprekker rundt overflaten av formene som skyldes krymping under størkning av støpingen vil da ikke spille noen rolle, fordi området vil være smeltet på nytt under driften av cellen. Under denne grenseflaten er en fast metallstang som er lett å skjøte, f.eks. ved sveising til lederen.

Elektrisk ledende metallfuktbare materialer såsom TiBj

og TiB2/Al cermeter, beskrevet i europeisk patent 115688, kan lett varmpresses til tynne folier som deretter kan lamineres til en sandwich struktur med Al metall.

Disse folier kan lett fabrikkeres som rektangulære stykker med tykkelse fra 0,5 cm til 5 cm. Bredden av slike stykker er uten betydning og kan hensiktsmessig være den tilsiktede bredde for tverrsnittet av samlerstangen.

Antallet slike folier som lamineres sammen, kan bestemmes av den ønskede strømtetthet i samlerstangen, og varierer om-vendt med folienes bredde. Således kan bredden av foliene og antallene av foliene som lamineres sammen velges slik at antallet varmpressingstrinn begrenses under hensyntagen til varmpresseformbegrensningene og den mekaniske styrken av de enkelte folier. Samlerstangens bredde vil normalt ligge i området 2 cm til 12,5 cm, helst 3 til 6 cm, og antall folier som lamineres sammen tilsvarende i området 6 til 1, helst 4 til 2.

Fremstilling av laminatet kan utføres ved støping av aluminium. En annen metode er å forme en bunt folier som er forfuktet med Al og deretter sveise med aluminium punktvis eller kontinuerlig lånas samlerstangen. Ennå en annen metode er å legge sammen bunten av folier med aluminium-folier imellom og oppvarme bunten i en inert atmosfære eller vakuumovn til over smeltepunktet for aluminium. Etter avkjøling vil bunten da danne en integrert enhet.

Samlerstengene kan fordeles jevnt under anodeskyggen eller kan være noe forskjøvet for å motvirke enhver magnetisk feltubalans.e. Antallet samlerstenger avhenger av strømbe-lastningen til hver enkelt. Denne vil normalt ligge i området 1-10 KA, fortrinnsvis 3-6 KA pr. samler. De optimale antall samlerstenger avhengig av magnetiske effekter, økonomiske hensyn og i tilfelle av en retrotilpasning, den eksisterende samleskinnekonstruksjon. Således er den mini-male strøm som føres begrenset av økonomiske hensyn, dvs. kostnaden for antallet av små samleskinner og deres mekaniske integritet. Den maksimale strøm som ledes er begrenset av lokale magnetohydrodynamiske effekter.

F.eks. kan en 175 KA celle ha to rekker av 18 samlestenger

2

som hver fører 4,9 KA. For 22 cm total anodeflate ville det være 0,6 m 2 pr. samlestang. Dette betinger en anode-strømtetthet pa 0,8 KA/m 2.

Tverrsnittflaten til den øvre del av katodestrømsamlerene vil gjerne velges i omradet 5-75 cm 2. Flere faktorer bidrar til dette. Hvis tverrsnittflaten er temmelig liten, vil det spesifikke overflateområdet være temmelig stort, hvilket igjen fører til en uønsket varmeveksling med den innvendige foring og korrosjon. Hvis tverrsnittflaten er temmelig stor, vil dette føre til for store omkostninger og varmetap ned gjennom samlerstangen. Tverrsnittsflaten er fortrinnsvis ca. det minimum som kreves for å føre den ønskede strøm uten for stort spenningstap; dette minima-liserer ikke bare bruken av dyrt kjeramisk materiale, men motstandsvarmingen holder også oppe temperaturen til samleren og sikrer at den ikke trekker ut for meget varme fra cellen. Noen av disse prinsipper for strømsamlekonstruk-sjon er omtalt av G. C. Seager i Extractive Metallurgy of Aluminium, utgitt av G. Gerard, publisert av Interscience Publishers, bind 2, 1963, side 131.

Tverrsnittformen til denne øvre del av samleren er ikke. kritisk. Ofte vil det være lett å bruke et kvadratisk eller sirkulært tverrsnitt for å minimalisere spesifikke overflateområder. Når imidlertid den øvre enden av samleren plasseres på bunnen av et trau i cellebunnen, foretrekker man å bruke en samler hvis øvre del er langstrakt i trauets retning.

Den øvre ende av katodestrømsamleren kan bestå av en fast blokk eller hette med et elektrisk ledende kjeramisk materiale som er bestandig mot angrep av smeltet aluminium. Et egnet materiale er TiB2; et annet er en TiB^/Al blanding som inneholder en tilstrekkelig lav andel Al til å forbli fast under de foreliggende betingelser.

Den faste blokken eller hetten kan tjene tre formål. Den kan forhindre forskyvning av små aggregatparikler ut av samlerstangen ved magnetohydrodynamiske effekter. Den sen-ker diffusjonen av legerende elementer (når slike brukes) ut av en lavere del av samleren. Den lukker også til indi-viduelle kanaler som f.eks. dannes i en rekke av parallelle staver, og reduerer således sirkulasjonen av smeltet metall mellom kanalene. Plasseringen av den faste blokk eller hette er også hvor forandringer i strømtetthet og retning skaper magnetiske trykkgradienter; hvis disse ska-pes inne i et fast legeme, kan de ikke drive metallbevegelse. Imidlertid er den faste blokk eller hette ikke nød-vendig og kan utelates når disse betraktninger ikke har noen betydning.

I ennå en annen konstruksjon (illustrert i figur 5) kan den regelmessige anordning av fast materiale bestå av en stabel kjeramiske legemer som gjerne kan være platefor-mede. Platene kan ha en innskjøring på en overflate og et tilsvarende utspring på den andre for å lette innretningen under stabling. Tykkelses- til diameterforholdet hos platene er ikke kritisk og kan optimaliseres i henhold til økonomiske og tekniske betraktninger for uia i-er i alproduk-sjonen. Platene kan fremstilles ved alle vanlige kjeramiske veier, men geometrien må spesielt tilpasses produk-sjonen ved varmepressing.

Elektrisk kontakt mellom de enkelte plater sikres ved å støpe hele stabelen i aluminium. Stabelen kan plasseres i et rør med stor diameter av aluminiumoksyd lukket i den ene enden, hvilken tjener som en form. En vakuumstøpeme-tode kan også brukes.

Som tidligere angitt foretrekkes regulære former med mindre tverrsnitt enn samlerens tverrsnitt. I tillegg til kvadrater og rektangler kan andre former brukes, hvis tverrsnitt kan passes sammen slik at de hovedsakelig opptar hele tverrsnittet av samlingsstangen. Det kan nevnes trekanter, rhombi, sekskanter og oaså komplisert innbyrdes låsende sagtannede former. En annen konstruksjon anvender en bunt av staver eller fibre som er parallelle med hverandre og samleraksen, idet mellomrommet mellom disse er fylt med aluminiumholdig metall. Det vil i allminnelighet være nødvendig å bruke en tettpakket anordning av staver eller fibre. En tettpakket anordning av sylindriske staver med jevn diameter opptar 78% av totalvolument, men en større andel kan oppnås ved å bruke staver og fibre med blandede diametere.

Denne konstruksjonen kan foretas for å bruke et kjeramisk rør med stor diameter, f.eks. av aluminiumoksyd, eller en A^O^ støpbar forbindelse som tjener som en form når metall støpes rundt staver eller rørene, og som ytterflate for strømsamleren i drift. En formenhet kan lages med en rekke parallelle staver eller inne i et rør med stor diameter, idet det hele lukkes til i bunnen, og smeltet metall helles inn og får størkne. Etter avskjæring av bunnenden og krymperommet på toppen, er enheten klar for bruk som en del av en katodestrømsamler. Et kjeramisk rør med stor diameter kan også brukes i andre konstruksjoner ifølge foreliggende oppfinnelse for strømsamleren. I alle tilfeller bør den innvendige flaten av rørene fuktes av smeltet metall fremfor elektrolytt. Hvis denne indre flate fortrinnsvis fuktes av elektrolytt, kan smeltet elektrolytt trenge gjennom langs overflaten av røret, fortrenge metallet og derved øke den elektriske motstand.

På den annen side bør en utvendig flate av røret med stor diameter fortrinnsvis fuktes utvendig av elektrolytt. På utsiden av rører ville inntrengning av noe elektrolytt ikke være noe problem men inntrengning av smeltet metall kunne skape vanskeligheter.

Ved forstøping av disse samledeler, kan smeltet aluminium (av handelskvalitet eller høyere renhet) anvendes. Dette har fordelen relativ høy elektrisk ledningsevne og ulempen med temmelig høy flyteevne og lavt smeltepunkt. Hvis de sistnevnte betraktninger er viktige, kan det være å fore-trekke å bruke en legering med lavere flyteevne og/eller høyere smeltepunkt. Legeringer av aluminium med jern, titan eller molybden er egnet, idet de sistnevnte to foretrekkes fordi løseligheten til deres intermetalliske forbindelser normalt er lave. Spesielt foretrekkes slike legeringer som også inneholder bor såsom handelsproduktet ''TIBOR"som inneholder 10% Ti og 1% B. Disse legeringeringer inneholder dispergerte partikler av TiB2 og også plate-lignende strukturer av Ti Al^ og disse reduserer sterkt konveksjonseffektene når hovedmengden av metallet befinner seg i flytende tilstand.

For å unngå eventuelle vanskeligheter under støping av smeltede legeringer av denne type, er det mulig å danne legeringen in situ. Når således parallelle kjeramiske staver settes sammen inne i en form, er det mulig å an-vende staver eller fibre av f.eks. titan eller molybden mellom stavene. Når et smeltet aluminium helles inn i for-men, reagerer det med titanet eller molybdenet og danner de ønskede intermetalliske forbindelser nettopp der hvor de trengs.

Den nedre ende av samleren er en fast samler, generelt en metallstang som kan være av kobber eller stål, men er fortrinnsvis av aluminium. Den øvre (varme) ende av denne

staven kan forbindes med den nedre (kalde) ende av den del som inneholder de avgrensede elektrisk ledende metallfuktbare legemer. Når delen dannes ved å støpe aluminium rundt det faste materialet, kan det være lett samtidig å støpe

en enhetlig aluminiums tang, som så kan tjene som nedre ende for samleren. Alternativt kan de to deler forbindes ved sveising.

I en foretrukket utførelsesform festes metalls tangen ved sin nedre ende til en plate av aluminium med tilstrekkelig tykkelse til å bære cellen.

Denne platen danner bunnen i cellen og kan ha finner for luftkjøling eller andre anordninger for tvunget kjøling for å kontrollere celletemperaturen. Platen virker som en samleskinne og er elektrisk forbundet med anoden i den neste celle i serie. Når bunnen av cellen er av aluminium, kan de ytre vegger være av aluminium eller stål. Alternativt kan hele skallet til cellen være av stål, og den nedre ende av strømsamleren kan boltes til skallet eller kan gå gjennom skallet for forbindelse med samleskinne-systemet.

I foreliggende beskrivelse er det henvist til den øvre (varme) ende og den nedre (kalde) ende av katodestrømsam-leren som om denne sto loddrett. I praksis kan samleren være loddrett, eller den kan være horisontal og gå gjennom cellens sidevegg; eller en vertikal varm ende kan kobles til en horisontal metallstang. Det foretrekkes generelt at den varme enden til samleren går loddrett ned fra cellen ettersom dette reduserer horisontale elektriske strømmer og magnetiske felter og reduserer magnetohydrodynamiske forstyrrelser i metallunderlaget.

Det foreligger nødvendigvis en temperaturgradient langs katodestrømsaiiixeren fra ca. 950°C ved den varme ende til kanske 200°C ved den kalde ende. Da TiB^ er et rela-

tivt kostbart materiale, kan det være ønskelig å redusere

de deler som inneholder dette. Men hvis metallstangen ved den nedre ende er av aluminium, må den ikke utsettes for temperaturer hvor den taper sin mekaniske styrke slik at skjøten mellom den del som inneholder de metallfuktbare legemer og metallstangen ikke bør overskride 500°C. For å forbedre varmekontrollen kan tverrsnittflaten til metallstangen øke fra denne skjøten og nedover.

Claims (13)

1. Aluminiumsreduksjonscelle inneholdende en innvendig foring (16) og deri innstøpt minst én katodestrømsamler (22,

24) , karakterisert ved at katodestrømsamleren inneholder en del omfattende en volummessig hoveddel av avgrensede elektrisk ledende aluminiumfuktbare legemer (22, 26, 32, 40) koblet eller omgitt av aluminiumholdig metall (14), idet delen er slik plassert at metallet er minst delvis flytende når cellen er i drift.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at de metallfuktbare legemer (22, 26, 32, 40) foreligger i samlerdelen i tettpakket anordning.

3. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de metallfuktbare legemer (22, 26, 32, 40) har jevn størrelse og form med mindre tverrsnitt enn samlerdelens.

4. Celle ifølge krav 3, karakterisert ved at legemene (22) er kubiske eller kuboide med sidene til nabolegemene plassert parallelt med hverandre.

5. Celle ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at legemene (26, 32) foreligger i form av folier eller tynne plater og er innrettet med sine hovedflater parallelle med hverandre og med aksen til samlerdelen.

6. Celle ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at en del av den innvendige foring (16), hvori samlerdelen er innstøpt, er gjenstand for gjennomtrengning av elektrolytt.

7. Celle ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at samlerdelen er slik plassert at det aluminiumholdige metall som forbinder eller omgir legemene (32) er flytende gjennom delens lengde når cellen er i drift.

8. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at samlerdelen omfatter en stabel av metallfuktbare plater (26, 32, 40) omgitt og forbundet av aluminiumholdig metall.

9. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at samlerdelen omfatter et pakket sjikt av metallfuktbare partikler eller granulat (34) impregnert med aluminiumholdig metall.

10. Celle ifølge et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at den øvre ende av samleren består av et deksel av fast kjeramisk elektrisk ledende materiale (20).

11. Celle ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at samlerdelen befinner seg i et kjeramisk rør (42) hvorav den innvendige overflate fuktes av metall fremfor elektrolytt og den ytre flate fuktes av elektrolytt fremfor metall.

12. Celle ifølge et av kravene 1 til 11, karakterisert ved at det innvendige foringsmateriale (16) er basert på aluminiumoksyd.

13. Celle ifølge et av kravene 1 til 12, karakterisert ved at det foreligger flere katodestrømsamlere som hver har en samlerdel med fra 5 til 75 cm<2> tverrsnittflate og er konstruert til å lede fra 1 til 10 KA.