NO177191B - Celle for elektrolytisk fremstilling av aluminium, og metode for å fornye en brukt cellebunn i en aluminiumproduksjonscelle - Google Patents

Description

Det tekniske område

Oppfinnelsen angår aluminiumreduksjonsceller av den type som har en cellebunn som omfatter et carbonlegeme gjennom hvilket strøm tilføres til en dam av smeltet aluminium som hviler på cellebunnen, såvel som en metode for fornyelse av en brukt cellebunn for en aluminiumproduksjonscelle, spesielt for elektrolytisk produksjon av aluminium ved anvendelse av smeltet kryolitt inneholdende alumina.

Teknikkens stand

Vanlige Hall-Heroult-celler for den elektrolytiske produksjon av aluminium anvender en carboncellebunn som tjener for tilførsel av strøm til en dyp dam av smeltet aluminium som danner katoden. Det katodiske aluminium er nødvendigvis tykt (minst 80-100 mm) fordi carbon ikke lar seg fukte av smeltet aluminium og under drift ikke vil fullstendig dekke carbonet dersom aluminiumlaget hadde vært tynnere. Ved den vanlige anordning er en horisontal stållederstang lagt inn i den nedre del av carboncellebunnen for tilførsel av strøm fra en ekstern kilde. Hele cellebunnen i kontakt med den smeltede aluminiumkatode består således av carbon som, under drift, impregneres med natriumarter og andre bestanddeler i kryolitten, hvilket fører til dannelse av giftige forbindelser innbefattende cyanider. Til tross for de mange ulemper som er forbundet med carbon som katodestrømtilførselsmateriale (ikke-fuktbart av aluminium hvilket nødvendiggjør drift med dyp dam, carbons forholdsvis høye elektriske motstand hvilket fører til energitap, reaksjoner i cellemiljøet hvilket nødvendig-gjør vraking av store mengder av forurenset carbon når cellebunnen fornyes, svelling som må kompenseres ved å understøtte cellesideveggene i understell, etc), har for-søk på å erstatte carbon med teoretisk mer fordelaktige materialer og anvendelse av nye cellekonstruksjoner hittil ikke hatt suksess.

Således er for eksempel en aluminiumproduksjonscelle som har en elektrisk ikke-ledende ildfast fSring med en "bunninnførings"-strømsamler, beskrevet i US patent 3287247. Strømsamlerens innvendige ende har en hette av Til^ SOm ra9er ^nn ^ en fordypning som inneholder en dyp dam av smeltet aluminium. US patent 3321392 beskriver en lignende anordning hvor de utstikkende ender til Til^-lederstenger er avrundet. US patenter 3093570 og 3457158 beskriver lignende konstruksjoner hvor sylindriske bunn-innføringsstrømsamlerstenger eller -stendere av TiB2 eller grafitt strekker seg gjennom en ikke-ledende ildfast foring som gjennom det hele består av pulvere av alumina og kryolitt eller aluminiumfluorid.

US patent 4613418 har foreslått en aluminiumproduksjonscelle med en karfSring av alumina i hvilken bunninn-føringsstrømsamlere er lagt inn og strekker seg til en fordypning i karfåringen. For å hindre den uønskede opp-samling av slam i disse fordypninger foreslår dette patent å fylle fordypningene med kuler av materiale som lar seg fukte av aluminium. Beslektede konstruksjoner er foreslått i US patent 4612103.

Disse alternative cellekonstruksjoner, under anvendelse av en cellebunn som ikke er av carbon, virker sterkt lov-ende. Erstatning av carboncellebunnen med f.eks. alumina fører til potensielle besparelser av materialer og arbeids-omkostninger. Slike forslag har imidlertid hittil generelt forlatt seg på anvendelsen av en familie av materialer som er kjente som Tungtsme1telige Hardmetaller ("THM") som

omfatter boridene og carbidene av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta.

TiB2 er blitt identifisert som det mest lov-

ende THM-materiale. Anvendelsen av disse materialer som del av strømtilførselsanordningen har støtt på en rekke problemer innbefattende pris og vanskeligheten med å produsere og maskinere store stykker av materialene. Slike vanskeligheter har ført til de konstruksjonshjelpemidler som er foreslått i de ovennevnte US patenter 4 613418 og 4612103, hvor for eksempel små stykker av TiB2 monteres eller pakkes sammen i en omgivelse av smeltet aluminium

som del av strømtilførselsanordningen.

Problemene som er blitt erfart med THM-strømsamlere

og ytterligere hjelpemidler for å ta hånd om disse, nemlig tilveiebringelsen av en beskyttende barriere som innbefatter en smeltet fluorid- eller kloridholdig saltblanding eller engetter, som partikkelformig aluminium, er ytterligere beskrevet i EP-A-0 215555.

I tillegg til problemene forbundet med anvendelsen av THM-materialer byr den cellekonstruksjon hvor flere strøm-samlerstenger eller stendere med forholdsvis lite tverrsnitt trenger inn gjennom celleforingen, på mange iboende ulemper fordi hver strømsamler må bære en høy strøm og svikt i en hvilken som helst enkelt strømsamler kan

føre til en total cellesvikt.

Et antall forslag er blitt fremsatt for alternative cellekonstruksjoner med carboncellebunner i forbindelse med inerte materialer under og/eller på sidene av carbonet.

Se for eksempel US patenter 3390071, 4592820, 4673481 og 4619750. Sideinnføringsstrømmaterkonstruksjoner er også blitt foreslått, f.eks. i US patent 3370071, men slike konstruksjoner har ikke funnet aksept på grunn av en rekke iboende ulemper. Det har også vært et forslag i GB-A-2076021 for å tilveiebringe skilledeler av isolerende materiale som deler opp den flytende aluminiumkatode slik

at dens effektive overflateareal er noe mindre enn det til motvendte dimensjonsstabile anoder, med sikte på å forbedre anodens levetid. Denne anordning kompliserer imidlertid cellebunnen og bidrar til dens omkostninger.

GB-A-1206604 har beskrevet carbonblokker som stikker ut over en celleforing med det formål å samle opp slam på cellebunnen. Denne konstruksjon er imidlertid begrenset til drift med dyp dam, og de utstikkende carbonforhøyninger er utsatt for erosjon.

DE-A-2 318599 beskriver en celle i hvilken et lag av ildfast materiale er forsenket i kantene eller i den sentrale del til en massiv carboncellebunn, på nivå med carbonkatodens operative toppoverflate. Det samlede oppadvendte overflate-,-areal til carbon i cellebunnen okkuperer hele overflaten til cellebunnen.

Problemene forbundet med erstatning av carbonbunnene i aluminiumreduksjonsceller er således ikke blitt løst på en tilfredsstillende måte, slik at carboncellebunner fortsetter å være standarden innen industrien.

Ep<->A-0 299 733 beskriver en celle hvor del av carboncellebunnen til en tradisjonell aluminiumreduksjonscelle er erstattet med et ikke-ledende ildfast foringsmateriale på nivå med carbonet.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Denne oppfinnelse er basert på den erkjennelse at betraktelige besparelser kan gjøres og andre fordeler oppnås ved å erstatte vesentlige deler av carbonet i cellebunnen med ildfaste materialer innen områder hvor carbonet ble betraktet som nødvendig for å tilveiebringe en tilstrekkelig tilførsel av strøm til dammen av aluminium som danner katoden.

Oppfinnelsen fremskaffer derfor en celle for elektrolytisk produksjon (herefter kalt "elektroutvinning") av aluminium fra smeltede salter under anvendelse av carbonkatoder, hvor cellebunnforingen delvis består av en ildfast masse og delvis av carbon innsatt i den ildfaste masse, idet det samlede oppadvendte overflateareal av carbonkatoden under anoden er mindre enn det horisontale overflateareal av anoden.

I denne beskrivelse betyr "projisert anodeareal"

eller "anodenes horisontale overflateareal" det overflateareal av cellebunnen som er avgrenset av en linje som danner en grense for periferien av hver anode projisert på cellebunnen. Det vil også forstås at betegnelsen "carbonkatode" betyr carbonkatodestrømmateren fordi carbonet tjener til å tilføre strøm til dammen av smeltet aluminium som danner den effektive katode i cellen.

I overensstemmelse med oppfinnelsen omfatter en celle

for elektroutvinning av aluminium fra smeltede salter, av den type som har en flerhet av anoder anordnet over en cellebunn, en carbonkatode gjennom hvilken strøm tilføres til en dam av smeltet aluminium på cellebunnen, og er karakterisert ved at cellebunnen er fSret med minst ett legeme av carbon og minst én masse av ikke-ledende, ild-

fast materiale sidestilt i forhold til carbonlegemet eller

-legemene for å danne en komposittcellebunn sammensatt av tilgrensende områder av strømledende carbon og ikke-ledende

ildfast materiale, idet flate øvre overflater av carbonarealene er anordnet lavere enn flate øvre overflater av de ildfaste områder eller av et annet ildfast materiale på den ikke-ledende ildfaste masse, og idet det samlede oppadvendte overflateareal av carbonet i cellebunnen plassert under anodene er mindre enn anodenes horisontale overflateareal.

I disse celler dekker således i det minste en del av anodenes overflateareal projisert på cellebunnen områder av det ikke-ledende ildfaste materiale. Typisk vil 20% eller mer av det projiserte anodeareal være okkupert av det ildfaste materiale, og i enkelte utførelsesformer er hele anodeoverflatearealet projisert på cellebunnen okkupert av det ildfaste materiale. Dette er mulig ved å plassere carbonkatodene slik at de fremskaffer en tilstrekkelig for-deling av strøm til den katodiske dam av smeltet aluminium. Selve dammen av aluminium er en slik god elektrisk leder at strøm blir jévnt fordelt på dammens overflate. Ved således å erstatte en vesentlig fraksjon av carbonet (som sammen-lignet med en vanlig carboncellebunn) oppnås betraktelige fordeler, innbefattende: - opprinnelig materialomkostningsbesparelse for mengden av nødvendig blokkcarbon. - en betraktelig reduksjon av mengden av forurenset carbon som må tas hånd om når cellebunnen fornyes, idet dette forurensede carbon er et ikke-gjenanvendbart risikofylt avfall. - mulig kapitalbesparelse ved å redusere produksjonen av blokkcarbonet. - ved å eliminere carbonpastaer som for tiden anvendes for å sementere carbonblokkene, blir arbeidernes utsatthet for røk eliminert.

- lengre gjennomsnittlig cellelevetid på grunn av reduk-

sjon av svellingen av carbonblokkene og erstatning med et ikke-svellende ildfast materiale.

- på grunn av denne reduksjon av svellingen er det mindre trykk mot cellens sider. Antallet av understell eller andre innretninger for å understøtte cellesideveggene blir derfor redusert, hvilket ytterligere forenkler konstruksjonen av

cellen og muliggjør en betydelig kapitalbesparelse.

- når cellen stenges og gjenoppbygges, kan aluminaet eller annet ildfast materiale males og gjenanvendes. Dette med-fører en betydelig besparelse av råmaterialer (kryolitt) absorbert av det ildfaste materiale fordi disse materialer nå kan resirkuleres, mens slike absorberte materialer med cellebunner utelukkende av carbon går tapt sammen med det risikofylte avfall. - reduksjon av arbeidskraften og -tiden for å bygge opp eller gjenoppfåre en celle.

Denne nye komposittcellebunn er dessuten forholdsvis rimelig, lett å bygge opp, sammensatt av utprøvde og testede materialer hvis oppførsel i cellemiljøet er kjente, og egnet for gjenopprustning av eksisterende celler, men den kan også anvendes for nye cellekonstruksjoner. I disse celler er fortrinnsvis minst 30% og ofte 50% eller mer av carboncelle-bunnfåringens overflateareal erstattet av en ildfast masse. Som regel er ikke mer enn 80% eller høyst 90% av cellebunnens overflateareal dannet av den ildfaste masse, avhengig av den geometriske form. Som en generell regel vil dessuten det oppadvendte carbonkatodeareal være mindre enn 50% av det aktive anodeoverflatareal, dvs. dets horisontale areal pluss sidenes operative areal.

I de fleste utførelsesformer strekker den ildfaste masse seg til cellesidene. Den ildfaste masse omfatter med fordel flatt alumina og kan for eksempel være en blanding eller lag av flatt alumina og a-alumina som beskrevet i EP-A-O215590, men den kan også bestå i det minste delvis av smeltet alumina, f.eks. plater av smeltet alumina som danner

cellebunnens oppadvendte overflate. Den ildfaste masses

øvre overflate kan la seg fukte av smeltet aluminium, f.eks.

ved å innarbeide THM-materialer som lar seg fukte av aluminium.

Nivået for den ildfaste masse, dvs. dens flate, horisontale overflate, er høyere enn nivået til carbonkatoden, dvs. at » carbonkatodeoverflaten er forsenket eller innsatt i den ildfaste masse. På denne måte kan dybden av dammen av smeltet aluminium over den ildfaste masse reduseres, mens dette nivå opprettholdes tilstrekkelig over carbonkatoden til å beskytte carbonet mot kontakt med elektrolytten under fluktuasjoner i

7

damnivået. Når således carbonkatodens nivå er under den ildfaste masses nivå, tillater dette en grunn aluminiumdam over den ildfaste masse, hvorved fluktuasjonene i det smeltede aluminium reduseres. Dette tillater på sin side reduksjon av elektrodeavstånden: takket være redusert fluktuasjon for den smeltede dam.

Carbonkatoden kan bestå av et stort antall seksjoner som regel med rektangulær form (for å redusere virkningen av magnet-feltet og fluktuasjonen for den smeltede aluminiumdam). Disse carbonkatodeseksjoner er langsgående i cellen eller tverrgående. Alternativt anbringes carbonkatodeseksjonene som er forsenket eller innsatt i den ildfaste cellebunn, i cellen under anodene og har rektangulær, rund eller en hvilken som helst bekvem form. I enkelte utførelsesformer blir carbonkatodeseksjonene i cellene ikke plassert i overensstemmelse med anodene og har rektangulær eller rund eller en hvilken som helst annen bekvem form.

En spesielt fordelaktig form som vil bli beskrevet senere, består av et rutemønster.

Arealene av carbon kan være rektangulære (sett oven-fra) , og den ildfaste masse kan okkupere et rom dannet av flere av de rektangulære rom i overensstemmelse med carbonkatodene. Som regel strekker både carbonet og den ildfaste masse seg ned til cellef6ringen eller en annen støtteover-flate for cellebunnen, men dette er ikke nødvendig, og i enkelte utførelsesformer kan carbonlegemene strekke seg bare over en del av veien ned til og være understøttet i en fordypning i den ildfaste masse.

Elektrisk kontakt mellom carbonkatoden og de eksterne strømskinner kan dannes ved hjelp av vanlige horisontale samleskinner, dvs. som regel på tvers av cellen, men andre anordninger er mulige i nye cellekonstruksjoner.

Vertikale stifter, plater eller stenger av metaller

som motstår arbeidstemperaturen i cellen, kan være innført i carbonkatoden og tilkoblet til samleskinnene, slik at carbonlegemenes elektriske motstandsevne reduseres. Slike stifter, plater eller stenger kan alternativt være til-

koblet til cellens ledende ytre skall og derfra til strøm-skinnene.

Den flate, øvre overflate av de innsatte carbonkatoder

i kontakt med det smeltede aluminium kan også økes ved i carbonlegemet å tilveiebringe skår, hull, slisser eller andre fordypninger som strekker seg vertikalt, men som ikke når frem til strømoppsamlingsanordningen og er fylt med aluminium. Dessuten kan avstander (slisser) være tilveiebragt mellom de innsatte carbonkatoders sider og den tilgrensende ildfaste masse, idet disse avstander eller slisser strekker seg vertikalt og er fylt med aluminium, men når ikke frem til strømoppsamlings-anordningen.

Et trekk ved de beskrevne celler er at cellebunnen inneholder ingen deler av carbon som ikke er i kontakt med det smeltede aluminium. I cellene i overensstemmelse med oppfinnelsen tjener alt carbon som strømmater. Det finnes intet carbon som bare tjener som en cellef6ring.

Cellen i overensstemmelse med oppfinnelsen kan

arbeide med vanlige for-brente carbonahoder eller med oxygenavgivende anoder, slike som dimensjonsstabile anoder som har et ceriumoxyd-fluoridoverflatebelegg.

En metode for å fornye (gjenoppruste) en brukt cellebunn for en aluminiumproduksjonscelle, hvilken cellebunn er bygget opp av rader av blokker av carbon forbundet til strøm-tilførselsanordning,: ér særpreget ved at den om-

fatter at enkelte av de brukte blokker av carbon skiftes ut med nye blokker av carbon og at de andre brukte blokker av carbon skiftes ut med en masse av ildfast materiale, idet det anvendes carbonblokker hvis øvre overflater er flate og plasseres på et nivå som er lavere enn det øvre flate nivå

for massen av ildfast materiale.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bliiytterligere forklart med hen-visning til de ledsagende skjematiske tegninger, hvor

Fig. 1 og 2 er tverrgående tverrsnitt gjennom cellebunner som ikke er i overensstemmelse med den krevede oppfinnelse,-men som ikke desto mindre innbefatter spesielle trekk ved den krevede oppfinnelse,

Fig. 3 er et tverrgående tverrsnitt gjennom en aluminium-elektrolysecelle ifølge oppfinnelsen, Fig. 4 er et skjematisk horisontalriss av én form av en cellebunn som er vist på Fig. 3, Fig.. 5A, 5B og 5C er riss lignende Fig. 4 og viser forskjellige cellebunner. Fig. 6A-6F er skjematiske horisontalriss av andre cellebunnutformninger, og Fig. 7 er et langsgående tverrsnittriss gjennom en del av en annen celle.

Beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Fig. 1 og 2 representerer ikke utførelsesformer av den krevede oppfinnelse, men letter forståelsen av spesielle trekk ved denne. Fig. 1 er et tverrgående tverrsnitt gjennom en Hall-Heroult-celle av generell tradisjonell konstruksjon bortsett fra at den er blitt gjenopprustet med en modifisert cellebunn som innbefatter enkelte trekk i overensstemmelse med den krevede oppfinnelse. Cellen omfatter en varmeisolerende mantel 1, 2 med tverrgående katodestrømtilførselsstenger 3 for eksempel av stål eller en annen egnet høytemperaturmotstands-dyktig legering. Denne mantel 1, 2 inneholder en cellebunn dannet av en masse 4 av sammenpresset inert ildfast materiale, som alumina, og carbonlegemer 5. Strøm-tilførselsstengene 3 passerer gjennom carbonlegemene 5

for tilførsel av elektrisk strøm til en dam 6 av smeltet aluminium som hviler på cellebunnens toppoverflate. På toppen av den smeltede aluminiumdam 6 er et lag av smeltet elektrolytt 7, for eksempel kryolitt som inneholder opp til ca. 10% alumina ved en temperatur av ca. 900-970°C. Elektrolytten 7 er omgitt av en frise 8 av størknet elektrolytt som dekker toppkantene av den ildfaste masse 4 og også strekker seg rundt den smeltede aluminiumdams 6 periferi. To rader av for-brente carbonanoder 9 som er opphengt med et vanlig anodeopphengningsarrangement (ikke vist), dypper ned i elektrolytten 7.

I tradisjonelle Hall-Heroult-celler er cellebunnen (dvs. svarende til deler 4 og 5) sammensatt i det vesentlige fullstendig av carbon. Cellen, som vist, har en masse 4 av ildfast materiale som utgjør en hoveddel av cellebunnen, og kan bekvemt bygges opp som en gjenutrustningsoperasjon når den eksisterende carboncellebunn må erstattes.

Carbonlegemene 5 vist på Fig. ligger under anodene

9, men carbonlegemenes 5 oppadvendte overflateareal under anodene er mindre enn det projiserte areal av anodene 9. Forskjellige utformninger av hvorledes legemene 5 kan være arrangert på cellebunnen og hvorledes anodene 9 projiseres på cellebunnens toppflate vil bli beskrevet senere.

Fig. 1 viser to forskjellige arrangementer for legemenes 5 øvre flater. Legemet 5 til venstre har en flat toppflate 10 som flukter med den ildfaste masses 4 flate toppflate og således danner en flat uavbrutt cellebunn som er dekket av den smeltede aluminiumdam 6. Legemet 5 til høyre har to slisser 11 som er maskinert inn i dets øvre flate og strekker seg ned til innenfor flere centimetre fra strømtilførselsstengene 3. Disse slisser 11 er laget tilstrekkelig vide til at de blir fylt med smeltet aluminium fra dammen 6. En enkel slisse 11 eller flere enn to slisser vil kunne tilveiebringes i henhold til hva som passer, eller istedenfor slisser kan det være fordypninger med en hvilken som helst annen egnet form, f.eks. med et rundt tverrsnitt. Formålet med disse slisser eller andre fordypninger er å redusere den strømførende bane mellom stengene 3 og aluminiumdammen 6 for derved å unngå energi-

tap på grunn av den forholdsvis lave elektriske lednings-

evne til carbon.

Cellen vist på Fig. 2 er den samme som den som er vist på Fig. 1, bortsett fra detaljer angående strømtilførsels-arrangementet for carbon anodene 5. Tett nær carbonblokken

5 til venstre finnes kanaler 12 i den ildfaste masse 4.

Disse kanaler ender flere centimetre over strømsamlerstengene

3 og er fylt med smeltet aluminium fra dammen 6. Dette tjener igjen til å redusere den strømførende bane mellom stengene 3 og dammen 6. Veggene av massen 4 som danner kanalene 12 kan bekvemt være f6ret med et materiale som lar seg fukte av aluminium, som TiB2 eller en kompositt som inneholder TiB2.

Den høyre del av Fig. 2 viser en carbonblokk 5 som innbefatter en rekke plater eller stendere 13 som står oppreist på stengene 3. Stengene 3 og stenderne 13 kan begge være av stål eller av en sveisbar legering som NiAl og forbundet ved hjelp av sveising. Disse plater eller stendere 13 strekker seg oppad i blokkene 5, men stanser flere centimetre under deres øvre flater. Et hvilket som helst bekvemt antall plater eller stendere kan tilveiebringes. Dette er en annen måte å redusere den strøm-

førende bane gjennom carbonet i blokkene 5 på.

Forskjellige kombinasjoner av trekkene vist på Fig. 1

og 2 kan lages. For eksempel kan platene eller stenderne 13 være kombinert med eksterne kanaler 12, eller de eksterne kanaler 12 kan være kombinert med slisser 11.

I cellen ifølge oppfinnelsen vist på Fig. 3 befinner carbonlegemene 5 seg i fordypninger 14 i cellebunnen slik at legemenes 5 toppflate 10 er under den flate topp 15 til den ildfaste masse 4 som har skråkanter som strekker seg nedad til legemenes 5 toppflate 10. Når denne anordning anvendes,

er det mulig å senke dammens 6 øvre nivå og i sin tur å redusere avstanden mellom anodene 9 og dammen 6.

Fig. 4 er et skjematisk horisontalriss som viser ett mulig arrangement av hvorledes anodene 9 er anordnet over den sentrale flate del av cellebunnen dannet av den ildfaste masse 4 og de forsenkede eller innsatte carbonlegemer 5. For letthets skyld er valgfrie trekk, som slissene i eller kanalene rundt de forsenkede carbonlegemer ikke vist. Strømsamler-stengene 3 som-rager ut i sideretning fra cellen, er heller ikke vist. Anodene 9 er representert ved ..omriss, dvs. som projisert på cellebunnen. Fig. 4 viser carbonlegemer 5 som strekker seg som to langsgående strimler anordnet side om side langs cellen og plassert under de to rader med anoder 9. Disse anoder 9 har den samme form, dimensjoner og plassering som i en vanlig celle. Projeksjonen av hver anode 9 på cellebunnen strekker seg delvis over den ildfaste masse 4 som okkuperer en hoveddel av cellebunnarealet. I denne spesielle utførelses-form er de forsenkede carbonlegemer 5 plassert delvis under anodeprojeksjonene 9.

Fig. 5A, 5B og 5C viser tre forskjellige utformninger hvor de forsenkede carbonlegemer 5 også strekker seg delvis under hver anodeprojeksjon.

På Fig. 5A er tverrgående carbonlegemer 5 plassert under hvert par av anoder 9 anordnet side om side. På Fig. 5B er et rektangulært eller kvadratisk carbonlegeme 5 plassert sentralt under en klynge av fire anoder 9. På Fig. 5C er et enkelt carbonlegeme 5 plassert sentralt under hver anode 9. To av disse legemer 5' er vist med kvadratisk og to andre 5<1>' med sirkulær form. Andre former er imidlertid også mulige. På samme måte som for de andre utførelsesformer projiseres anodene 9 på den ildfaste masse 4. I de illustrerte eksempler okkuperer den ildfaste masse 4 omtrent de følgende prosenter av det projiserte anodeareal: 47% ifølge Fig. 4, 51% ifølge Fig. 5A, 76%

ifølge Fig. 5B og 70%/66% ifølge Fig. 5C.

Fig. 6A-6F er skjematiske diagrammer av cellebunnen vist delt i rektangler som hvert representerer plasseringen av en carbonblokk 5 i en vanlig cellebunn som skal erstattes. Ved den vanlige metode er carbonblokkene 5 på deres grenseflater bundet av carbonpastaer som avgir farlig røk. Ved å redusere antallet av disse grenseflater, og i enkelte tilfeller endog ved å eliminere disse, oppnås en viktig fordel. Av bekvemhets skyld er disse grenseflatelinjer vist på Fig. 6A-6F endog på de steder som er okkupert av en monolittisk ildfast masse, f.eks. av pakket alumina. Fig. 6A-6D illustrerer en cellebunn tidligere bygget opp av rader av fire rektangulære carbonblokker 5 og i hvilke: en del av carbonblokkene er blitt erstattet. Typisk er hver tverrgående rad av fire carbonblokker tilknyttet en tverrgående strømtilførselsstang (ikke vist), lignende stangen 3 på Fig. 1. I den gjenoppbygde cellebunn ifølge oppfinnelsen vist på Fig. 6A er samtlige av carbonblokkene langs sidene og endene av cellen erstattet av en ildfast masse 4. Dette efterlater en sentral langsgående katode dannet av carbonlegemer 5. Arrangementet vist på Fig. 6B ligner på det ifølge Fig. 6A, bortsett fra at bare sidecarbonlegemene er erstattet med den ildfaste masse 4, slik at carbonkatoden dannet av legemer 5 strekker seg fra ende til ende av cellen. Fig. 6C viser et omvendt arrangement hvor carbonlegemene 5 er anordnet rundt cellebunnens periferi efter-latende en rektangulær sentral åpning fylt med den ildfaste masse 4. Fig. 6D viser hvorledes i det vesentlige kvadratiske katoder kan bygges opp (jfr. Fig. 5B). I dette eksempel er carbonblokkens 5 overflateareal mindre enn 1/4 av cellebunnarealet. Fig. 6E og 6F viser ytterligere cellebunnutformninger som er mulige for fornyet utrustning av en celle dannet av rader av fem carbonblokker. Fig. 6E viser en sjakkbrett-konstruksjon oppnådd ved å erstatte alternerende carbonblokker 5 med den ildfaste masse 4. Denne konstruksjon byr på to betydelige fordeler. For det første kan en meget jevn strømfordeling oppnås under anvendelse av samtlige av de eksisterende katodestrømforbindelsesstenger. For det annet finnes ingen grenseflater mellom carbonblokkene, hvorved behovet for binding med'carbonpasta elimineres. Fig. 6F viser et lignende rutemønstret arrangement hvor enda mer carbon er erstattet, dvs. rundt cellebunnens periferi.

Selvfølgelig er mange flere konstruksjoner mulige for cellebunnen, avhengig av carbonblokkenes størrelse og form for enhver gitt cellebunn. Dessuten er på Fig. 6A-6F plasseringene av anodene ikke vist. Det er klart at celle-bunnutformningen om ønsket kan bygges opp som en funksjon av en gitt anodeutformning (rader på en, to eller tre anoder).

For en gjenopprustningsoperasjon er det klart fordelaktig å konstruere en cellebunn basert på dimensjonene for de eksisterende carbonblokker. På denne måte kan den eksisterende produksjonslinje for carbonblokkene anvendes uten modifikasjon. I enkelte tilfeller kan det imidlertid være fordelaktig å anvende mindre carbonblokker, enten ved å anvende en modifisert produksjonslinje eller ved å kutte blokkene i halvdeler eller kvartdeler etc.

Den ildfaste masses 4 toppoverflate kan være gjort fukt-bar av smeltet aluminium, f.eks. ved å innarbeide THM-materialer. Carbonblokkene 5 er forsenket slik at deres toppover-flater befinner seg under den ildfaste masses 4 toppoverflate som lar seg fukte av aluminium. På denne måte finnes dypere dammer av smeltet aluminium over carbonlegemene 5, og tilstrekkelig dype til å beskytte carbonlegemene mot angrep av elektrolytten, f.eks. under fluktuasjoner i nivået for dammen av smeltet aluminium. Denne forsenkede eller trinnutformning er også meget fordelaktig ved at ved å ha avgrensede dypere deler av aluminiumdammen blir uønskede bevegelser i aluminiumdammen dempet, hvilket tillater operasjon med en snever av-stand mellom anodene og aluminiumdammen. Disse deler som lar seg fukte av aluminium, kan fordelaktig være fliser eller plater av smeltet aluminium som inneholder THM-inneslutninger i deres overflate, som beskrevet i EP-A- 0 308 014 og som vist på Fig. 7.

Fig. 7 er et langsgående tverrsnitt gjennom en del av en annen aluminiumelektroutvinningscelle under anvendelse av carbonlegemer i form av stenger 5 i en forsenket grunn-damsutformning. Cellen har en ledende bunnplate 33, f.eks.

av stål, til hvilken stengene 5 er forbundet ved hjelp av stål- eller andre legeringsplater eller -stendere 43 som har slisser 44 i deres øvre ender for å ta opp ekspansjon. I dette eksempel strekker stengene 5 seg ikke helt ned til bunnplaten 33, men er inneholdt i fordypninger i den ildfaste masse 4. På toppen av aluminaet eller en annen ildfast masse 4 finnes blokker 34 av ildfast materiale som har et øvre lag 35 av THM, for eksempel TiB2~partikler eller -klumper lagt inn i et lag av flatt alumina eller i smeltet

alumina, som mer detaljert beskrevet i den samtidige EP-A-0 30 8 014. Toppen av den ildfaste

masse 4 er like under nivået for toppen 10 av carbon-stengene 5, og blokkene 34 er anordnet langsmed stengene 5, hvorved de tilveiebringer en fordypning 36 som er fylt med smeltet aluminium 6. Fordypningens 36 vegger kan være skrånende, som vist, eller vertikale. Det smeltede aluminium 6 danner således en grunn dam eller film 3-30 mm tykk over den med aluminium fuktbare overflate til det øvre THM-lag 35, men danner en dypere dam, f.eks. 25-60 mm tykk, i fordypningene 36 over carbonstengenes 5 topp 10, hvilken beskytter carbonet mot angrep av elektrolytten. Over det smeltede aluminium 6 er et lag av smeltet elektrolytt 7 som anodene 9 dypper ned i. Typisk er to rader av anoder 9 anordnet side om side med et hvilket som helst egnet antall anoder langs cellelengden i overensstemmelse med cellens kapasitet. Med fordel vil, som vist, anodene 9 være ikke-forbrukbare oxygenavgivende anoder, f.eks. be-lagt med et ceriumoxyd-fluoridbelegg 39. Et trau eller en annen anordning, ikke vist, er tilveiebragt på sidene og/ eller endene av cellen for å inneholde og tappe av det pro-duserte aluminium.

Claims (20)

1. Celle for elektrolytisk fremstilling av aluminium fra smeltede salter, med flere anoder (9) som er anordnet over en cellebunn som omfatter en carbonkatode (5) gjennom hvilken strøm tilføres til en dam (6) av smeltet aluminium på cellebunnen, karakterisert ved at cellebunnen er foret med minst ett legeme (5) av carbon og minst én masse (4) av ikke-ledende, ildfast materiale sidestilt med carbonlegemet eller -legemene (5) for å danne en komposittcellebunn sammensatt av tilgrensende arealer av strømledende carbon (5) og ikke-ledende ildfast materiale (4), idet flate øvre overflater av carbonarealene er anordnet lavere enn flate øvre overflater av de ildfaste arealer eller av et annet ildfast materiale på den ikke-ledende ildfaste masse (4), og idet det samlede oppadvendte overflateareal av carbonet (5) i cellebunnen plassert under anodene (9) er mindre enn anodenes horisontale overflateareal.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at den ildfaste masse (4) okkuperer minst 30% av cellebunnens overflateareal.

3. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ildfaste masse (4) strekker seg til cellesidene.

4. Celle ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den ildfaste masse (4) omfatter flatt alumina.

5. Celle ifølge krav 1-3, karakterisert ved at i det minste en del av den ildfaste masse (4) består av smeltet alumina.

6. Celle ifølge krav 1-5, karakterisert ved at den ildfaste masses (4) overflate lar seg fukte av smeltet aluminium.

7. Celle ifølge krav 1-6, karakterisert ved at dammen (6) av aluminium over den ildfaste masse (4) har et minimumsnivå over carbonkatoden (5), slik at nivået for smeltet aluminium permanent opprettholdt er tilstrekkelig til å beskytte carbonet (5) mot kontakt med elektrolytten (7) under fluktuasjoner i damnivået over den ildfaste masse (4).

8. Celle ifølge krav 1-7, karakterisert ved at carbonkatoden (5) består av et stort antall seksjoner.

9. Celle ifølge krav 8, karakterisert ved at carbonkatodeseksjonene er langsgående i cellen.

10. Celle ifølge krav 8, karakterisert ved at carbonkatodeseksjonene er tverrgående i cellen.

11. Celle ifølge krav 8, karakterisert ved at carbonkatodeseksjonene i cellen er plassert under anodene (9).

12. Celle ifølge krav 8, karakterisert ved at carbonkatodeseksjonene i cellen ikke er plassert i overensstemmelse med anodene (9).

13. Celle ifølge krav 1-12, karakterisert ved at den elektriske kontakt mellom carbonkatoden (5) og eksterne strømskinner er dannet ved hjelp av samlerstenger (3) som strekker seg horisontalt gjennom cellebunnen.

14. Celle ifølge krav 13, karakterisert ved at vertikale stifter, plater eller stenger (13) av metall som motstår arbeidstemperaturen i cellen, er innført i carbonkatoden (5) og tilkoblet til samlerstengene (3).

15. Celle ifølge krav 1-12, karakterisert ved at vertikale stifter, plater eller stenger (13) av metall som motstår arbeidstemperaturen i cellen, er innført i carbonkatoden (5) og tilkoblet til cellen utenfor mantelen (1, 2) og derfra til strømskinnene.

16. Celle ifølge krav 1-15, karakterisert ved at overflaten av carbonkatodene (5) i kontakt med det smeltede aluminium (6) er øket for å forbedre elektrisk kontakt ved tilveiebringelse av skår, hull, slisser eller andre fordypninger (44) i carbonlegemet (5) og strekker seg vertikalt,men når ikke frem til strømoppsamlings-anordningen (33) , idet disse skår, hull, slisser eller fordypninger (44) er fylt med smeltet aluminium (6).

17. Celle ifølge krav 1-16, karakterisert ved at kanaler (12) er tilveiebragt mellom carbonkatodene(5) og den tilgrensende ildfaste masse (4), idet disse kanaler (12) strekker seg vertikalt og er fylt med smeltet aluminium, men når ikke frem til anordningen for tilførsel av strøm.

18. Celle ifølge krav 1-17, karakterisert ved at anodene (9) er oxygenavgivende anoder.

19. Celle ifølge krav 18, karakterisert ved at anodene (9) er dimen-sonsstabile.

20. Metode for å fornye en brukt cellebunn for en aluminiumproduksjonscelle, hvilken cellebunn er bygget opp av rader av blokker (5) av carbon forbundet til strømtilførselsanordning, karakterisert ved at den omfatter at enkelte av de brukte blokker (5) av carbon skiftes ut med nye blokker av carbon og at de andre brukte blokker (5) av carbon skiftes ut med en masse (4) av ildfast materiale, idet det anvendes carbonblokker (5) hvis øvre overflater er flate og plasseres på et nivå som er lavere enn det øvre flate nivå for massen (4) av ildfast materiale.