NO20120736A1 - Elektrode samt en fremgansmåte for tilvirkning av samme - Google Patents

Abstract

En elektrode for bruk i en elektrolyseprosess for produksjon av aluminium omfattende et legeme av kalsinert karbonholdig materiale forbundet med en strømleder. Strømlederen er innfestet i en uttagning i nevnte karbonholdige legeme. Uttagningen er bredere enn strømlederen slik at det dannes en åpning som kan fylles med et elektrisk ledende materiale. Det elektrisk ledende materiale omfatter støpe kobber. Fremgangsmåten relateres til tilvirkning av en slik elektrode.

Description

Den foreliggende oppfinnelse relateres til en karbonbasert elektrode og en fremgangsmåte for å tilvirke samme. Spesielt relateres oppfinnelsen til katoder for elektrolytisk produksjon av aluminium. I en utførelse kan den også benyttes for anoder.

For innfestelse av samleskinner av stål i katodeblokker er det vanligvis formet spor i blokkene som tillater at skinnene kan anbringes i disse. Rommet eller åpningen mellom veggene i sporene og skinnene kan fylles med smeltet støpejern og/eller en ledende pasta kan benyttes.

På tilsvarende vis kan forhåndsbakte karbon anoder festes til stålnipler som utgjør en del av en anodehenger. Anoden er utstyrt med boringer hvor i niplene tres. Befestigelsen mellom niplene og anoden er vanligvis utført ved at smeltet støpejern ifylles ring rom met mellom hver individuelle nippel og den korresponderende boringen i anoden.

Bruken av smeltet støpejern gjør at man trenger ovner som kan smelte støpejernet samt et korresponderende distribusjons og ifyllingssystem. Videre, før ifylling av støpejern i åpningene i katoden, må elektroden og samleskinner forvarmes på grunn av store temperaturforskjeller mellom det smeltede metall og elektroden (romtemperatur). Angående anoder, så er niplene i samsvar med noen teknologiløsninger forvarmet.

En forbakt karbonanode er normalt brukt opp etter tilnærmet 30 dager i cellen som følge av at karbonmaterialet den består av brukes opp. Den må da erstattes. Den oppbrukte anoden (butts) blir transportert til et anlegg hvor niplene til anodehengeren er renset ved å fjerne restmateriale fra anoden sammen med støpejernrester. En vanlig måte å gjøre dette på er å benytte mekaniske slagverktøy.

Aktivitetene for å stille sammen en ny anode og å fjerne buttsen fra en oppbrukt anode er tidkrevende og dyrt. Tilsvarende gjelder for de mer holdbare katodeblokker, hvor samleskinnene og karbonmaterialet må separeres før deponering eller resirkulering.

Aluminiumsprodusenter har arbeidet med å finne frem til enklere og mer energieffektive forbindelsesmetoder av strømledere til det kalsinerte karbonlegeme. Betydningen av effektive løsninger på denne utfordringen vil være enda mer viktig etter hvert som elektrolyseceller blir mer energiintensive.

I streben mot lavt spesifikt energiforbruk innen aluminiumsproduksjon så er et kjent og potent grep å redusere det katodiske spenningsfall. Reduksjon av det katodiske spenningsfall vil følgelig redusere det ohmske energitapet i katoden, noe som gjør at operatørene kan enten øke amperestyrken i cellene og/eller redusere cellespenningen som igjen vil føre til en reduksjon av den spesifikke energibruken pr. tonn produsert aluminium.

Mange midler har vært benyttet for å oppnå en reduksjon i katodespenningsfall, og et som er generelt kjent er å benytte kobber elementer for å forbedre ledningsevnen til samleskinner av stål.

Eksempler på dette kan finnes i WO04031452 som viser samleskinner av stål med en kobberkjerne, US5976333A og WO0163014 viser begge ulike design av en kobberstang innsatt i et stålrør som er pakket inn i et spor i en katodeblokk.

Det er vist i tester at kobberelementer i samleskinnene kan redusere det katodiske spenningsfallet med ca. 60mV sammenliknet med konvensjonelle samleskinner av stål.

En annen fordel ved å benytte kobber som et sterkt ledende element i katoder er den mer uniforme katodestrømtettheten som kan oppnås ved slike design. Spesielt for katoder som er grafitiserte kan en mer uniform strømtetthet minske den maksimale erosjonsraten og derved forlenge katodelevetiden.

Det skal nevnes at hver mV som reduseres i løsninger som benytter innsettelse av sterkt ledende elementer er kostbare, fordi i tillegg til det at kobberstengene er kostbare kommer tilleggskostnader ved sammenstillingen (tildannelse av boring i samleskinne og montering av kobberstang). Dette koster nært tre ganger så mye som selve kobberet.

Under oppfinnernes jakt på løsninger med lavere kostnader men med anvendelse av sterkt ledende materiale ble en rekke alternative løsninger evaluert.

Ett alternativ som har potensialet å være både rimelig og enklere å implementere enn det som beskrives i teknikkens stilling var å anvende et støpemetall med god elektrisk ledningsevne, ved sammenstillingen av elektrodene. Anvendelse av for eksempel kobber for sammenstilling av samleskinner har i en modell studie vist å representere betydelige fordeler.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er der anvendt et elektrisk ledende støpe materiale mellom den elektriske leder og det kalsinerte karbonholdige materiale i elektroden, noe som innebærer betydelige fordeler.

Benyttelse av nærværende støpe materiale kan forenkle gjenbruk av materialet siden den høyverdige Cu delen er lokalisert på utsiden av ståldelen.

Videre, den elektriske motstanden in en elektrode hvor oppfinnelsen anvendes er observert å gi forbedringer sammenliknet med støpejern som vanligvis benyttes.

Dette og ytterligere fordeler kan oppnås med oppfinnelsen som definert i de vedføyde patentkrav 1-11.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli ytterligere belyst ved hjelp av Figurer og eksempler hvor; Fig. 1 viser et tverrsnitt av en katode med en samleskinne hvor det vises varierende støpehøyde,

Fig. 2 viser delvis en samleskinne fjernet fra en katodeblokk etter støping,

Fig. 3 viser et diagram hvor elektrisk strøm versus dager i drift har blitt målt for en katodeblokk med Cu sammenstilling og tilliggende standard blokker, Fig. 4 viser en skisse hvor en elektrode er hellende nedad mot venstre mens støpe kobber ifylles, for å kontrollere fordelingen av støpe materiale i åpningen, Fig. 5 viser en skisse hvor en elektrode er hellende nedad mot høyre mens støpe kobber ifylles, for å kontrollere fordelingen av støpe materiale i åpningen.

I et eksperimentielt oppsett ble det utført et forsøk med støping etter tilsvarende prosedyre som benyttes for støpejern, se Fig. 1 hvor en karbon elektrode 1 er utført med spor eller uttaginger 6, 7 med elektriske ledere 2, 3 innmontert. I hver uttaging er det en åpning 8, 9 som delvis fylles med støpe Cu 4, 5. En induksjonsovn ble tømt og fylt med 200 kg Cu. Mengden av Cu var for liten til at effektiv smelting ble oppnådd, og fortrinnsvis burde mer Cu adderes. Det ble observert mye gnister i den initielle smelte fasen. Det ble også tilsatt 2dl av grafitt støv (<0.2mm) til chargen for å unngå oksidering. Det viste seg at luftstrømmen og finheten gjorde at grafitten brant bort på mindre enn et minutt. Grovere korn av grafitt eller koks ble foreslått som en forbedring.

Chargen med Cu ble varmet opp til 1280°C før den ble overført til støpeøsen. Støpeøsen var nylig foret om og var forhåndsvarmet med en gassbrenner. Støpingen startet umiddelbart men flytbarheten av Cu virket lav, og var ikke bedre enn støpejern. Overhetingen var nær 200°C i induksjonsovnen. Mulig at temperaturfallet under overføringen til støpeøsen var for høyt, men dette ble ikke målt.

Det vises et eksempel på den endelige støpehøyden av Cu i Fig. 1. Det vises to høyder: et spor 7 med 10 cm Cu og et spor 6 med" 4 cm, se Fig. 1.

Undersøkelse av det støpte området etter fjerning av skinnene fra blokken avdekket en meget god dekning av det støpte Cu, se Fig. 2, hvor den støpte Cu delen er indikert ved 4 og skinnen ved 2. mer enn 95% av kontaktarealet var fylt i en kontinuerlig Cu blokk. De eneste hulrom som ble observert var i forbindelse med grafitt flyterne som var satt inn for å begrense støpevolumet. En bit av den støpte Cu ble kuttet ut for kjemisk analyse og Cu'en viste ingen signifikante opptak av forurensninger. En liten mengde Fe og Si opptak var ventet i og med at induksjonsovnen hadde blitt benyttet for støpejern uten å ha blitt rengjort tilstrekkelig.

Det ble ikke observert vinger, langsgående eller tverrgående sprekker i karbonblokken etter støpingen. Samleskinnene ble trukket ut av blokkene ved hjelp av en gaffeltruck, og var kvalitativt innfestet i samme grad som samleskinner med støpejern.

Kobberet benyttet for sammenstilling kan være av ulike typer, så lenge det er rent og lett og transportere med det eksisterende utstyret i montasje verkstedet. Kobber skrap, kobber hagl, og i verste fall kobber stenger kan nyttes som rå-kobber for montasje. Det bør unngås å bruke kobber som er forurenset med volatile produkter (olje eller løsemidler). Det er heller ikke adekvat å benytte legert kobber (messing eller bronse) for denne anvendelsen, på grunn av høyere motstand for disse legeringene.

Etter støping, ble delen av åpningen som ikke var fylt med støpe materiale pakket med stampemasse. Tettingen med stampemasse ble gjort for å forhindre lekkasje av smeltet

Cu dersom den usannsynlige situasjonen skulle oppstå at temperaturen går godt over 1100°C i cellen. Stampemassen vil bli bakt under oppstart av cellen.

I et annet eksempel ble en hel katodeblokk (4 samleskinner) støpt med Cu i henhold til den ovennevnte fremgangsmåte. Omtrent halvparten av sporets høyde ble fylt med Cu og resten av sporet ble fylt med karbonholdig stampemasse. En normal blokk med støpejern montasje ble så erstattet av blokken med Cu montasje i en ellers normal elektrolysecelle. Etter oppstart ble strømfordelingen målt, se Fig. 3. Blokken med Cu montasje har et høyere strømuttrekk, som forventet på grunn av lavere motstand i Cu. Videre var det ingen utvikling eller endring in strømfordelingen i blokken med Cu i den undersøkte perioden.

Motstanden av de individuelle samleskinnene i cellen ble målt etter 53 dager i drift, og resultatet er vist i Tabell 1 under. Samleskinnene med Cu montasje hadde i gjennomsnitt 13% lavere motstand enn standard samleskinner.

Tabell 1. Målinger av motstand i samleskinner etter 53 dager drift.

I Fig. 3 er det vist et diagram hvor elektrisk strøm versus dager i drift har blitt målt for en katodeblokk med Cu montasje og standard katodeblokker ved siden av nevnte Cu monterte blokk. Katodeblokken med Cu montasje var anbrakt i midten av cellen, og de to tilliggende referanse standard blokkene ble anbrakt på hver side av katode blokken med Cu montasje. Strømmen i hver samleskinne ble målt med et ampere meter og lagt sammen for hver katodeblokk.

Det skal forstås at åpningen mellom uttagningen i karbon legemet og strøm lederen kan ifylles kun støpe Cu. Som et alternativ kan det fylles inn Cu i fast form eller et annet materiale med god elektrisk ledningsevne sammen med støpe Cu. Materialet i fast form kan være partikulært eller stangformet.

Ytterligere en fordel med den fremgangsmåten som beskrives her er fleksibiliteten som ligger i det at mengden Cu som benyttes, vil kun avhenge av fyllehøyden under støping. En stor mengde Cu kan være ønskelig i tider med lav Cu-pris og/eller høye strømkostnader. Videre så kan støpingen/montasjen gjøres i en skråstillet posisjon. Dette gjør det mulig å videre optimalisere en reduksjon i CVD (katodespenningsfallet), som vist i Fig. 4 med mer Cu 21 i retning enden av katodeblokken 1. Skinnen er indikert ved 20. Alternativt kunne man forbedre strømfordelingen som vist i Fig. 5 ved å anbringe mer Cu 23 i senter av katodeblokken 1, ved å enkelt tilte sammenstillingen under støpingen med Cu. Skinnen er indikert ved 22.

Claims (11)

1. En elektrode for bruk i en elektrolyseprosess for produksjon av aluminium omfattende et legeme av kalsinert karbonholdig materiale forbundet med en strømleder, idet nevnte strømleder er innfestet i en uttagning i nevnte karbonholdige legeme og hvor uttagningen er bredere enn strømlederen idet den resulterende åpning er i det minste delvis fylt med et elektrisk ledende materialekarakterisert vedat det elektrisk ledende materialet omfatter støpe kobber.

2. En elektrode i samsvar med krav 1, karakterisert vedat det elektrisk ledende materialet omfatter et fast stoff i form av partikler.

3. En elektrode i samsvar med krav 2, karakterisert vedat fast stoff materialet er kobber.

4. En elektrode i samsvar med krav 1, karakterisert vedat den elektriske strømleder er tildannet av stål.

5. En elektrode i samsvar med krav 1, karakterisert vedat den elektriske strømleder er tildannet av kobber.

6. En elektrode i samsvar med krav 1, karakterisert vedat elektroden er en katode.

7. En elektrode i samsvar med krav 1, karakterisert vedat elektroden er en anode.

8. En fremgangsmåte for tilvirkning av en elektrode for benyttelse i en elektrolyseprosess for produksjon av aluminium, hvor elektroden omfatter et legeme av kalsinert karbonholdig materiale forbundet med en strømleder, idet nevnte strømleder er innfestet i en uttagning i nevnte karbonholdige legeme og hvor uttagningen er bredere enn strømlederen og etterlater en åpning hvori det fylles et elektrisk ledende materiale som i det minste delvis fyller åpningen,karakterisert vedat det elektrisk ledende materialet omfatter støpe kobber.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert vedat det i åpningen fylles i et elektrisk ledende materiale i fast form før støpe kobberet ifylles.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert vedat støpe kobberet delvis smelter materialet i fast form når det fylles i åpningen.

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert vedat elektroden er skråstillet når støpe kobberet helles inn i åpningen.