NO320504B1 - Elektrolytisk reduksjonscelle - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrolytisk reduksjonscelle for produksjonen av et metall, slik som aluminium. Oppfinnelsen vedrører særlig en katodekonstruksjon som anvendes i slike celler. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en elektrolytisk reduksjonscelle for produksjonen av et metall, innbefattende et ytre skall av stål, et lag av isolerende materiale hosliggende det ytre skallet av stål, et karbonholdig lag som er beliggende over det isolerende materialet og beskytter det isolerende materialet mot et elektrolytisk bad i cellen, idet det karbonholdige laget innbefatter minst en karbonholdig katodeblokk som har et flertall av elektriske kontaktplugger som er montert i elektrisk kontakt med en nedre overflate av katodeblokken, og en kollektorplate i elektrisk kontakt med de elektriske kontaktpluggene.

Aluminiummetall blir generelt produsert ved hjelp av Hall-Heroult-prosessen der elektrisk strøm føres gjennom et elektrolytisk bad omfattende alumina oppløst i smeltet kryolitt for å bevirke elektroavsetningen av smeltet aluminium. Elektrolytiske reduksjonsceller omfatter et ytre skall av stål som er foret med et lag av isolerende materiale, slik som ildfast sten. Karbonholdige blokker anbringes på toppen av det isolerende laget og disse karbonholdige blokker danner cellens katode. Katoden må vare i hele den forven-tede driftsmessige levetid for cellen, hvilken typisk er 1000-2000 dager. Et antall av for-brukbare anoder plasseres i en kort avstand over katoden. Ved bruk blir det elektrolytiske badet plassert mellom katoden og anodene og passeringen av elektrisk strøm gjennom cellen bevirker smeltet aluminium til å dannes ved katoden. I vanlige celler vil den smeltede aluminium bli samlet som en dam på toppen av katoden og under operasjon virker dammen av smeltet aluminium som katodens topp. Aluminium blir periodisk dre-nert fra cellen, typisk på en daglig basis.

Elektrolytiske reduksjonsceller anordnes i digellinjer der et stort antall av celler er koblet i serie. Elektrisk strøm går inn i en celle gjennom anodene, passerer gjennom det elektrolytiske badet og dammen av smeltet metall og inn i katoden. Strømmen i katoden oppsamles og føres til en ekstern strømbærer og så videre til den neste cellen.

Ved vanlig aluminiumsreduksjonscelleteknologi blir innleirede kollektorskinner anvendt for å oppsamle elektrisk strøm fra den karbonholdige katoden og lede den til den eksterne ringbuss. Innleiringen av kollektorskinner, som utføres med bruken av støpe-jern eller karbonholdig lim, bevirker et antall av begrensninger som ugunstig påvirker tjenestelevetiden, kostnaden og ytelsen hos aluminiumsreduksjonscellene.

Opptagelse av kollektorskinner innenfor katodekarbonet krever at et maskineri spor dannes i blokken og øker således kostnaden for katodeblokkene og samtidig reduserer nærværet av et spor den potentielle cellelevetid (tilgjengelig eroderbar foring) med i visse tilfeller ca. 40%. Dessuten er katodestrømtetthetsfordelingen langs katodeblokkenes lengde ujevn og der de ytterste partier av katodeblokkene trekker strøm med opp til tre-fire ganger høyere tetthet sammenlignet med de indre partier av blokken.

I innleiret kollektorskinneteknologi er skinnen enten støpt eller limt inn i en fordypning på undersiden av katodeblokken. Under normale driftsbetingelser opptrer elektronover-føringen fra kollektorskinnen til karbonet gjennom aktive punkter (a-punkter) som er

konsentrert langs sidene av kollektorstangen og nærmest blokkens ende. Det øvre partiet av kollektorskinnen deltar normalt ikke i elektronoverføring ettersom dens egen vekt og mangel på høytemperatursstyrke bevirker den til å bli neddøyet. Konsentrasjonen av a-punkter langs sidene av kollektorskinnespaltene øker den gjennomsnittlige strømvei-lengde i katodekarbonet og øker således katodespenningstap.

Det meste av strømoverføringen fra kollektorskinnene til karbonet opptrer nær blokken-den og dette fører til ujevn strømfordeling på overflaten av katoden. Den er høyest nærmest den ytre kanten av katodens skygge eller avsatstå. Den ujevne katodestrømtetthet har en dobbel virkning på cellens drift: dels øker den oppløsningstakten for karbon ved å øke den kjemiske aktivitet av natrium (dette driver den aluminiumkarbiddannende reak-sjon) i det påvirkede området, og dels øker den takten av transport av oppløst alumini-umkarbid ved å bevirke sirkulering av metall og katolytt. Denne økte sirkulering kan skyldes enten den økte metallputebølging på grunn av samvirket i metallputen av horisontale strømmer med de vertikale magnetfelt eller skyldes Maragonni-effekten (dvs. sirkulering bevirket av ujevn interfasial spenning mellom katolytt og aluminium på grunn av ujevn katodestrømtetthetsfordeling ved grensesjiktet). Erosjonstakten for karbon er direkte relatert til sirkulasjonstakten for metall og katolytt.

Ettersom hverken de horisontale strømmer i metallputen, og heller ikke de samvirkende magnetfelt er jevne, balanserte eller statiske, kan deres kobling føre til hydrodynamisk ustabilitet i metall-badgrensesjiktet. Sirkulasjonen av metallet, deformasjonen av dets overflate og ustabiliteten i metall-badgrensesjiktet, er de tre mest vesentlige begrensninger hos celler ifølge eksisterende teknologi, hvilket påvirker deres digellevetid (katode og sideveggerosjon) og driftsvirkningsgrad.

Ved vanlig strømmatingsteknologi er det vanskelig å bygge en reduksjonscelle som kan ha en fullstendig ensartet katodestrømtetthetsfordeling gjennom hele cellen. Det beste som kan oppnåes er å redusere variasjonen av strømtetthetsfordeling ved å konstruere relativt smale celler, som anvender relativt dype antrasittiske katodeblokker som har høy resistivitet, og å anvende store kollektorskinner av stål. Problemet med metallbølging og metallputestabilitet (produkt av feltstrømsamvirke) ble så løst ved modifikasjonen av strømskinner for å styre det vertikale magnetfeltet. Moderne magnetisk kompenserte celler er et godt eksempel på denne type av ingeniørkunst innenfor systemets begrensninger.

Dette problem ved katodestrømtetthetsfordeling og nærværet av horisontale strømmer i metallputen har begrenset cellekonstruksjonen til konstruksjon av relativt smale, men lange reduksjonsceller. Slike ovnskonstruksjoner er ufordelaktige ettersom de har et høyt forhold mellom utvendig overflate og produksjonsvolum, og dermed har et stort varmetap. Ved vanlige cellekonstruksjonsmetoder er disse begrensninger som skyldes innleiret kollektorskinneteknologi blitt godtatt som naturlig for det vanlige med hensyn til aluminiumsreduksjonscellekatoden og dens negative virkning ble minimalisert ved å fokusere på forbedring av magnetfeltaspektet med hensyn til samvirket mellom strøm og felt. Moderne reduksjonsceller er konstruert med magnetisk kompensering for å forbedre den hydrodynamiske stabilitet hos cellene. Imidlertid krever dette relativt kostbare utvendige strømskinner.

I et dokument publisert i Aluminium, 70. årgang, 1994, s. 105-109, av Lakomsky, som er en av de foreliggende oppfinnere, beskrives kilder for elektrisk resistans i en elektrolytisk reduksjonscelle. I særdeleshet er det i celler uunngåelig elektriske kontakter ved grensesjikt mellom stålbaserte ledere og karbonholdige materialer. Slike kontakter opptrer eksempelvis ved kollektorskinne/katodekarbongrensesjiktet. Kollektorskinner blir typisk montert i en spalte dannet i bunnen av katodekarbonblokken og smeltet støpejern helles rundt kollektorskinnen. Selv om støpejernet fukter kollektorskinnen av stål for å sikre meget god kontakt mellom disse, vil det smeltede støpejern ikke fukte det karbonholdige materialet i katoden. Følgelig vil støpejernet og katodekarbonet ikke danne en kontinuerlig, elektrisk forbindelse. De to massive overflatene danner ikke kontakt over hele overflatearealet, men heller ved diskrete punkter, benevnt a-punkter. Passeringen av elektrisk strøm gjennom a-punktene avhenger av å overvinne kontaktmotstanden i hvert av kontaktmaterialene nær a-punktene. Desto større antallet av a-punkter er, desto lavere er kontaktmotstanden.

Dette dokument beskriver videre en fremgangsmåte for å forbedre kontakten av karbonmaterialet med metall, slik at kontaktmotstanden reduseres. Denne metode involverer å sveise de kontaktdannende deler sammen slik at permanente sammenføyninger etableres som blokker tilgangen av luft eller annet oksyderende middel til grensesjiktet og derved forhindrer oksidering ved grensesjiktet. Den sveisede sammenføyning vil i viktigere henseender øke det faktiske kontaktareal mellom metallet og det karbonholdige materialet for derved å redusere kontaktmotstanden.

Slike sveisede sammenføyninger ble innbefattet i Lakomsky's dokument ved referanse til "elektriske kontaktplugger" sveiset inn i et karbonholdig materiale. Det diametrale snitt av en slik elektrisk kontaktplugg er vist på fig. 5 av Lakomsky. Pluggdiameteren og høyden ble valgt til å gi en tett kontakt mellom pluggen og karbonmaterialet over hele kontaktgrensen, mens det ble sikret at ingen sprekking oppsto fra metallkrymping under størkning i pluggen, ingen sprekkdannelse i karbonlagene nær pluggen på grunn av ter-miske påkjenninger og ingen svikt i sammensmeltingslinjen på grunn av forskjellen i varmeutvidelseskoeffisientene for de ulike materialer. Det ble funnet at plugger med 30 mm diameter og dybde var mest nyttige.

De elektriske kontaktplugger ble montert i spalten dannet i katodens karbonholdige materiale som mottar kollektorskinnen. I særdeleshet ble pluggene sveiset inn i blokklege-met på den horisontale spalteoverflaten. Katodekarbonet med elektriske kontaktplugger montert dertil ble forbundet med kollektorskinner av stål ved hjelp av en vanlig fremgangsmåte under bruk av smeltet støpejern. Bortsett fra å anvende elektriske kontaktplugger avvek de sammenstilte katodeblokker ikke på noen måte fra vanlige katodeblokker.

Ved montering av kollektorskinnen av stål i spalten i katodeblokken fukter smeltet stø-pejern både overflaten av kollektorskinnen og den åpne overflate av hver elektrisk kontaktplugg. Dette danner "broer" med lavere elektrisk resistans mellom karbonblokken og kollektorskinnen. Operasjon av celler i et anleggsmiljø som innbefatter en katode konstruert som beskrevet ovenfor resulterte i et katodespenningsfall lik 40-50 mV, når det ble sammenlignet med plugg-frie celler. I anlegget der forsøk ble gjennomført resulterte dette i en besparelse på 130-170 kWt pr. tonn av produsert metall.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedret katodekonstruksjon for en elektrolytisk smeltingscelle.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes den innlednings nevnte elektrolytiske reduksjonscellen ved at de elektriske kontaktplugger er fordelt på den nedre overflaten av katodeblokken, slik at ved drift av cellen er en i alt vesentlig isopotential overflate på den øvre overflaten av katodeblokken.

Fortrinnsvis er de elektriske kontaktplugger montert i hull i den nedre overflaten av katodeblokken og neddykkingssveiset til hullenes karbonoverflater.

Fortrinnsvis blir dessuten de elektriske kontaktplugger elektrisk koblet til kollektorplaten ved hjelp av koblingsstaver som er neddykkingssveiset inn i pluggene.

I én utførelsesform kan koblingsstavene være sveiset til kollektorplaten. Videre er det

mulig å la koblingsstavene strekke seg fra kontaktpluggene gjennom hull i kollektorplaten til de krokformede ender som er sveiset til kollektorplaten hosliggende hullene deri, for derved å tillate at differensielle utvidelsesbevegelser mellom katodeblokken og kollektorplaten blir ivaretatt ved bøyning av de krokformede koblingsstavene.

Med fordel kan katodeblokken og kollektorplaten ha langstrakt utformning og de elektriske kontaktpluggene kan være anbrakt i en langstrakt oppstilling som strekker seg langs katodeblokken.

I én utførelsesform kan nevnte oppstilling bestå av par av sideveis adskilte plugger som er anordnet langs katoden med langsgående avstand som minsker progressivt fra de to endene av katoden.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse blir de elektriske kontaktplugger plassert eller fordelt på den nedre overflaten av katoden på en slik måte at en isopotential overflate oppnås ved toppen av katodeblokkene. Denne isopotentiale overflate kan oppnåes uansett strømveilengden. I særdeleshet kan det nødvendige antall av elektriske kontaktplugger romlig plasseres slik at uønskede strømforløp reduseres og det frembringes en mini-mum elektrisk feltresistans mellom pluggene. Med denne løsning kan resistansen for sammenstillingen minimaliseres og strømfordelingen innenfor sammenstillingen kan styres. Vanlige innleirede kollektorskinneteknologi har ikke evnen til å styre størrelsen og fordelingen av aktive punkter og kan derfor ikke oppnå en ensartet katodestrømtett-het. De elektriske plugger fordeler strøm langt lengre inn i katodene enn vanlige kollektorskinner og dette tilveiebringer langt større mulighet for å styre og utforme elektrisk strømninger og felt i cellen.

Alternativt og i stedet for å posisjonere eller fordele flertallet av elektriske kontaktplugger på den nedre overflaten av katodeblokken på en slik måte at det oppnåes en isopotential overflate ved toppen av katodeblokkene, kan de elektriske kontaktplugger plasseres eller fordeles slik at et ønsket elektrisk felt etableres ved den øvre overflaten av katoden (og strekker seg inn i metallputen under cellens drift). Eksempelvis kan det være ønskelig å oppnå et elektrisk felt som motvirker minst i en viss grad eksterne elektriske felt som støter mot cellen. Det kan også være ønskelig å etablere et elektrisk felt som, under cellens drift, resulterer i styrt bevegelse eller strømning av metallet inn i metallputen. Eksempelvis kan den styrte bevegelse av metallet i metallputen omfatte en langsom sirkulering av metall (som hjelper til med celledrift) mens det unngåes humping og spruting av metallet og vertikal bevegelse av metallet i metallputen reduseres eller minimaliseres.

De elektriske kontaktplugger blir fortrinnsvis montert til katodekarbonet ved hjelp av en sveisningsteknikk, slik som en plasmalysbue sveisningsprosess. Den såkalte Dugatron-lysbuesveisningsprosess, slik den er beskrevet av Lakomsky, Journal of High Temp Chem Processes, 2 (1993) s. 83-94, er særlig egnet. Hele innholdet i det dokumentet inngår her ved krysshenvisning.

I en annen utførelsesform ble de elektriske kontaktpluggene dannet ved å fylle passende dimensjonerte hull i karbonblokken, fylle hullene med metallpulvere, blandet oksidpulvere eller blandinger derav, og oppvarme for å danne den elektriske kontaktplugg.

Den minst ene kollektorplaten er i elektrisk kontakt med de elektriske kontaktpluggene. Selv om elektrisk kontakt kan oppnåes ved å bringe kollektorplaten eller kollektorplatene i kontakt med de elektriske kontaktplugger og effektivt tillate vekten av cellen over kollektorplaten eller kollektorplatene å opprettholde elektrisk kontakt, foretrekkes det å feste kollektorplaten eller kollektorplatene til de elektriske kontaktpluggene, eksempelvis ved direkte sveisning eller ved neddykkingssveisning.

Den minst ene kollektorplaten blir fortrinnsvis plassert mellom det isolerende materialet og katodekarbonet. Den minst ene kollektorplaten kan strekke seg i den fulle bredde eller den delvise bredde av katodekarbonet. En enkel koUektorplate kan anvendes, eller et flertall av mindre kollektorplater kan anvendes. Hver plate kan ha ensartet tykkelse eller tykkelsen av individuelle plater kan variere. Dette kunne hjelpe til med å oppnå grov uligning av resistanser under katoden. Kollektorplaten eller platene kan også være kledd eller belagt med et materiale som har lav resistans, slik som kobber, for å redusere spenningstap uten å øke varmetap fra cellen.

Bruk av en eller flere kollektorplater tillater også muligheten for å anvende karbonblok-ker som har flate bunner som katoden. Dette reduserer kostnaden ved å konstruere cellen fordi spor for kollektorskinner ikke trenger å bli maskinert inn i karbonblokkene. Dessuten bør levetiden for katoden økes i fraværet av et spor for en kollektorskinne.

En foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet.

Uten å ønske å være bundet av teori ble den foreliggende oppfinnelse utviklet basert på det premiss at strømoverføringen over hvilke som helst faste grensesjikt opptrer via aktive punkter (a-punkter). Videre postuleres det at strømmen som flyter gjennom et punkt samvirker med strømmen som flyter gjennom naboliggende punkter for å frembringe innbyrdes elektriske felteffekter. Dette samvirket øker resistansen i den totale sammenstilling. For derfor å oppnå lavest mulig resistans i en sammenstilling må man styre a-punktaktiviteten på kontaktoverflaten og sikre at den romlige fordeling av a-punkter anordnes for å minimalisere deres innbyrdes elektriske feltsammenvirkninger.

A-punktaktiviteten på et grensesjikt kan styres ved bruk av elektriske kontaktplugger (ECP = Electrical Contact Plugs) som sveises til karbonet ved hjelp av Dugatron plasmalysbue sveisningsprosessen. Størrelsen og formen av nevnte ECP'er, sveiselege-ringssammensetningen, betjeningstemperaturen og strømstyrkebelastningen pr. plugg kan utformes til å maksimalisere kontaktarealet for karbon/metallgrensesjiktene og redusere de termoelektriske virkninger og derved frembringe en lav resistans i en hvilken som helst individuell ECP. Det nødvendige antall av ECP'er kan så romlig plasseres på en slik måte at strømmen mates der den behøves for derved å redusere uønskede forløp av strøm og å frembringe en optimal elektrisk interferens mellom pluggene. Med denne løsning kan resistansen i sammenstillingen optimaliseres og strømfordelingen innenfor sammenstillingen styres.

Ved utformingen av formen av nevnte ECP'er ble de følgende underliggende antagelser anvendt:

• sveisemetallet har ubetydelig resistans,

• det meste av ECP-resistansen skyldes resistansen i grensesjiktet mellom sveis/karbon på grunn av karbiddannelse, og • karbonmaterialet bidrar til det meste av strømbegrensningen og den elektriske felt-samvirkeresistans.

På denne basis kan resistansen for en enkelt plugg defineres som følger:

der

pcm er spesifikk resistivitet for karbonmaterialet (uQm)

x er forholdet r/l

1 er lengden av pluggen (m)

r er radius av pluggen (m)

En grafisk analyse av Rs = f(x) viser at x = 1 er den optimale verdi, som svarer til en halvkuleform for pluggen. I dette tilfellet oppnåes en ganske lav Rs med det minste kon-taktlegeringsforbruk.

Med ytterligere økninger i verdien av x, går resistansen ned noe, men legeringsforbruket for pluggfremstillingen økes proporsjonalt med1<*>1. Derfor blir virkningsgraden for legeringsforbruket redusert.

Sveisning av karbon til metall fører til generering av strekkpåkjenninger ved grensesjiktet mellom metallpluggen og karbonoverflaten. Dette skjer som et resultat av høyere krympning i et sveisemetall ved kjøling etter størkning sammenlignet med karbon. Strekkpåkjenningene som genereres i plugglegemet er relatert til egenskapene for den elektriske kontaktlegering og pluggens krympning.

der

E er Youngs modul for sveisemetallet (Mpa),

Ad er den absolutte krympning av pluggen med diameter lik d. Dersom pluggens me-talVkullmaterialeadhesjon er temmelig høy, kan påkjenninger som frembringes i metal let bevirke mikrosprekkdannelse i karbonblokken rundt pluggen ettersom strekkstyrken i karbonblokkmaterialet er langt lavere enn den for pluggmaterialet. For å unngå dette foretrekkes det å anvende hypoeutektiske eller hypereutetiske legeringer som materialer for pluggene, ettersom de har lavere grad av krympning.

Størrelsen av hver ECP velges på basis av forskjellen i varmeutvidelse av karbonmaterialet og sveisemetallet ved å anvende den følgende formel:

der

Tser størkningstemperaturen for legeringen (K), og

Aa er forskjellen i varmeutvidelsekoeffisienter mellom metall og karbonmaterialer (K<1>).

Begrenset elementmodelleringsarbeid antyder at plugghull med diameter lik 15-30 mm og dybde lik 20-40 mm er best for sveisning av metall til karbon. Slike plugger har en optimal strømmerkeverdi lik 400-800 amp. Strategien som anvendes for å minimalisere sprekkdannelse i karbon involverer bruken av små EC-plugger og bruken av sveisnings-legeringer som har lave verdier av Ts, a og E.

Som en elektrisk kontaktlegering for pluggen ble anvendt en metallisk legering som mu-liggjør fukting og impregnering av katodeblokkmaterialet. Fuktningsvinkelen for karbonmaterialet ved 1900-2000DK bør ikke være over 30°. Størkningstemperaturen for legeringen bør være 250-300°K høyere enn driftstemperaturen for ECP'er.

Sveisningsmaterialet er basert på jern. For å oppnå den passende fuktningsvinkel blir to eller tre karbiddannende elementer fra følgende: B, Si, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo,Ta, W og Rh anvendt. Slike elementer som Ni og/eller Co kan også innbefattes i legeringssam-mensetningen for deres virkning på varmeutvidelseskoeffisienten for legeringen.

En bred to-faseregion for legeringen kan tilveiebringes ved å tilføye kobber, som er nøy-tral med hensyn til karbiddannende elementer.

Bortsett fra fuktning blir legeringsvalg påvirket av den elektriske ledningsevne for karbidet som dannes. Ideelt bør karbidet og legeringen være stabil med hensyn til gjennomtrengningen av kryolittbadet og natriummetallet. Anleggsforsøk har vist at silisium er det mest egnede karbiddannende legeringsgivende element for ECP'er som anvendes i katodene i aluminiumreduksjonsceller. Hovedfordelen med silisium var dets evne til å danne et tett, men tynt lag av silisiumkarbid ved metall/karbongrensesnittet som så beskytter sveisemetallet mot badnatriumangrep.

To prosedyrer for å feste ECP'er som er sveiset inn i katodeblokken til kollektorplaten er blitt utviklet: • sveisning av hver plugg til kollektorplaten ved elektronagling med en standard belagt elektrode, • sveisning ved neddykking av en stål- eller kobberstav i hver plugg inntil den er stivnet. Den frosne staven blir senere sveiset til kollektorplaten ved å anvende en vanlig belagt elektrode.

Alternativt kan oppvarming av metallpulvere, blandet oksidpulvere eller blandinger derav anvendes for å danne de elektriske kontaktplugger.

Den første prosedyren er lettere å utføre enn den andre dersom pluggmaterialet er meget sveisbart. Imidlertid vil karbiddannende elementer og karbonet, som oppløses i pluggmaterialet under sveising inn i katodeblokken, skarpt redusere pluggmetallsveisbarhe-ten.

Naglingsteknologi (dvs. standard sveisning) tilveiebringer en stiv sveiseskjøt mellom katodeblokken og kollektorplaten. Idet det gis rom for forskjellen i varmeutvidelsesko-effisient mellom kollektorplaten (laget av lav-karbonstål) og katodeblokkken (laget av karbonmateriale) er den maksimale avstand mellom ECP'er begrenset til ca. 200 mm.

De to kravene til vellykket fastgjøring av kollektorplater til karbon, nemlig dels å anvende legeringer som har en høy karbiddannende evne og dels har en god elektrisk lede-evne, høy plastisitet ved høye temperaturer og god sveisbarhet, blir ikke lett oppnådd i praksis. For å overvinne denne vanskelighet anvendes en alternativ sveiseprosess som gjør bruk av binære legeringer for å montere nevnte ECP'er og deretter å koble nevnte ECP'er til kollektorplaten. Ved binær sveisningsteknologi anvendes to legeringer. Den primære fuktningslegering er basert på et lettere lavsmeltelig metall, slik som aluminium, og inneholder en høyere konsentrasjon av karbiddannende elementer, slik som silisium, titan, zirkon, krom etc. og den andre fyllmaterialelegeringen er basert på tyngre metall, slik som jern, nikkel eller kobber og inneholder lite av eller ingen karbiddan nende elementer. Hensikten med den primære legering er å danne et metallkarbidreak-sjonslag på overflaten av karbonet som kan fuktes ved hjelp av den sekundære fyllende legering. Sveisningsprosessen involverer to trinn, fuktning og fylling. Under fuktnings-trinnet blir karbonoverflaten varmebehandlet med en plasmalysbue inntil den primære legeringen fukter og sprer seg over den elektriske kontaktoverflaten. Deretter blir den fyllende legeringen hurtig smeltet inn i fordypningen, og idet den er tyngre, forflytter det meste av den fuktende legering som så skrapes vekk fra overflaten av karbonet, idet det etterlates en elektrisk kontaktplugg som består av tett fasthengende og elektrisk ledende metallkarbidgrensesjiktlag på karbonoverflaten og en fyllmaterialelegering som fukter dette grensesjiktlag. Denne fyllende legering blir så på vanlig måte sveiset til en metallisk leder.

Den andre prosedyren utføres med en og samme legeringssammensetning. En stav av stål eller kobber fryses inn i kontaktlegeringen på hver plugg inntil den er fullstendig stivnet. Ved oppstilling av reduksjonscellen, når cellebunnen forvarmes til sin driftstem-peratur, vil staven utløse forskjellen i varmeutvidelse mellom karbonblokken og kollektorplaten. I dette tilfellet vil staven mens den bøyer seg hindre ECP/kollektorplatens sveiseskjøt fra å svikte. Dette er vist skjematisk på fig. 1.

Derfor, i et ytterligere aspekt, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å koble en elektrisk kontaktplugg til en strømkollektor, omfattende å danne minst ett ytre skall av en elektrisk kontaktplugg i et hull i en katodekarbonblokk, idet nevnte minst ene ytre skall dannes av et metall eller legering som fukter nevnte karbon, å fylle nevnte minst ene ytre skall med et fyllmateriale eller legering og deretter å sam-menføye nevnte elektriske kontaktplugg med nevnte strømkollektor. Fortrinnsvis blir fyllmaterialets metall eller legering forbundet med strømkollektoren ved hjelp av sveisning.

I et annet aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å koble en elektrisk kontaktplugg til en strømkollektor, omfattende å fryse et forbindelses-element inn i pluggen og koble forbindelseselementet til strømkollektoren. Forbindelseselementet kan fryses inn i pluggen ved å neddykke forbindelseselementet i en dam av smeltet metall i pluggen og tillate dammen av smeltet metall å fryse. Dammen av smeltet metall kan dannes ved å oppvarme en tidligere dannet plugg. Alternativt kan dammen av smeltet metall være gjenværende fra prosessen anvendt til å frembringe pluggen. Minimumsantallet av ECP'er som kreves i et hvilket som helst strømmatingssystem bestemmes på basis av behovet for å oppnå langvarig stabilitet med hensyn til ytelse. Basert på forsøk ble det etablert at for stabil ytelse hos nevnte ECP bør varmen som genereres på pluggens overflate ikke overskride 80 watt (ECP-overflate varmefluks Q - 22,5 kW/m<2>). Derfor vil den maksimalt tillatelige strømtrekking pr. ECP avhenge av dens resistans, dvs. av naturen med hensyn til det anvendte sveisemetallet, karbontypen og kva-liteten i sveisen, og denne er generelt mellom 400 og 800 amp.

Minimumsantallet av ECP'er som sveises inn i hver karbonblokk er relatert til den elektriske strømverdien, spesifisert for katodeblokken, og den maksimalt tillatelige strøm pr.

ECP.

Ofte må minimumsantallet av ECP'er, nmjn, økes av konstruksjonsmessige betraktninger og ønsket om å redusere den elektrisk resitans for et antall av plugger som er sveiset inn i den bestemte katodeblokken.

Det foretrukne antall av ECP'er bestemmes imidlertid på basis av ligning (4) som beskriver den totale resistans for systemet som en funksjon av antallet av ECP'er.

der

RPmtotal resistans for n plugger ( Cl),

n antall av ECP'er

t\ ECP-anvendelsekoeffisient,

/ geometrisk formfaktor for lederen (m"<1>), og

pcm spesifikk resistivitet for karbonmateirale (Dm)

Pluggens anvendelseskoeffisient kan beregnes som en funksjon av dens radius (r) og avstanden mellom plugger (x) ved å anvende formelen (5):

Dette forholdet mellom ECP-anvendelseskoeffisienten og størrelse og avstand for kontaktpunkter antyder at pluggeffektiviteten øker med avtagende radius og økende avstand mellom kontaktpunktene.

Forholdet mellom anvendelseskoeffisienten for ECP'er og deres størrelse og avstand be-tyr at for hvilken som helst ledergeometri finnes der et optimalt antall, dimensjon og avstand for strømmatingspunkter som har høyeste kostnadseffektivitet og beste ytelse. En ideell strømmatingsløsning ville være å ha et stort antall av små kontaktpunkter jevnt fordelt over hele den geometriske kontaktoverflaten. Dette er ikke alltid oppnåelig. Den mest effektive fremgangsmåte vil imidlertid være å anvende runde ledere med et enkelt, stort strøminnføringspunkt som er sentralt plassert. Dette er ikke alltid praktiserbart.

For ikke "ideelle" geometrier kan en optimal ECP-fordeling bestemmes fra forholdet mellom geometriene for lederen og dens matingssystem som gjengitt i den geometriske formfaktor (f). Dette er avhengig av lengden (1) og tverrsnittdimensjonene (a, b) for le-dematerialet og kan bestemmes for en firkantet karbonleder med dimensjon 100-400 mm som har strømveilengde lik 200-2000 mm basert på den følgende ligning:

For en karbonleder med en mer intrikat form enn rektangulær, parallelepiped eller rett-vinklet prisme bestemmes den geometriske formfaktor ved eksperiment.

For eksempelvis en 550 x 400 mm katodeblokk med en 270 x 145 mm spalte, er form-faktoren f 4,9 m"1.

Den generelle regel for anordningen av ECP'er i katodeblokken er som følger:

1. Pluggaksen bør sammenfalle med den elektriske strømveien i karbonblokken.

I dette tilfellet blir de totale side- og flateoverflatene på pluggen anvendt for elektrisk strømflyt vekk fra pluggen inn i katodeblokkens legeme.

Med den perpendikulære posisjon for pluggaksen relativt den elektriske strømveien anvendes kun 2/3 av sidepluggoverflaten. 2. Katodekarbonblokken skal utformes slik at strømveilengden, /, kan være så kort som mulig, og tverrsnittet av karbonblokken, gjennom hvilken strømmen flyter fra kollektorplaten til det flytende alumimumslaget (a, b) kan være så stort som mulig.

Strømmen i ECP-cellen oppsamles av plater som er festet til undersiden av karbonet via nevnte ECP'er. Kollektorplatene strekker seg i den fulle eller delvise bredden av blok-kene og sitter under karbonet. Den grunnleggende anordning av kollektorplatene er vist på fig. 2 og 3.

Fig. 2 viser et sidemessig tverrsnittriss av en elektrolysecelle i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og fig. 3 er et tverrsnittriss av fig. 2 ovenfra. Elektrolysecellen ifølge fig. 2 innbefatter et skall av stål som har en sidevegg 10 og en bunn 11. Katoden 12 er plassert over kollektorplaten 13. Selv om det er utelatt for tydelighet fra fig. 2 og 3, ville elektrolysecellen også innbefatte isolasjon under kollektorplaten 13 og til siden for katoden 12 for å beskytte skallet av stål mot høye temperaturer og korrosivt bad som er til-stede under driften av cellen.

Kollektorplaten 13 er sammenføyd med eller er enhetlig utformet med kollektorskinnen 14. Kollektorskinnen 14 anvendes til å sette vanlige skall av stål i stand til å bli anvendt i den foreliggende oppfinnelse. Til tross for at elektrolysecellene anvender kollektorskinner 14, vil det forståes at kollektorskinnene 14 ikke strekker seg under katoden og at det er kollektorplaten 13 som oppsamler strøm fra katoden.

Platene i denne utforming har en dobbeltrolle: å lede strømmen og virke som et barriere-lag for gjennomtrengningen av kryolitt og natrium inn i isolasjonen.

Muligheten for å oppnå ensartet potensial over hele katodeoverflaten uansett strømvei-lengden og katodeblokkens geometeri tilveiebringes i ECP/kollektorplateanordningen som følger: én eller flere kollektorplater kan anvendes i cellen, avhengig av katodeblokkens lengde og måten som platen er festet til ECP'er, • tykkelsen av individuelle plater som kunne justeres med økende middels strømvei-lengde for å oppnå grov utligning av resistanser under katoden, • størrelsen, posisjoneringen og tetthetsfordelingen av ECP'ene sveiset til hver plate kunne ytterligere optimaliseres for å oppnå ensartet potensial over hele katodeoverflaten, • kollektorplatene kunne kles med kobber på sin underside for å redusere spenningstap uten å øke varmetap fra cellen.

Dette er idémessig vist på fig. 4 som viser to overlappende plater med forskjellig tykkelse og uensartet fordelt ECP. De to kombinerte kunne resultere i en utligning av resistans uansett strømveilengde. Den romlige fordeling av ECP'er som er vist på fig. 3 er anordnet slik at ekvipotentielle overflater, eller nær ekvipotentielle overflater, oppnås på toppen av katoden som er i bruk i cellen.

En av hovedutfordringene for realisering av den ECP-baserte strømmatingsteknologi er utformingen av et system for fast gjøring av elektrisk kontaktplugger til kollektorplatene. Dette system må ha tilstrekkelig "giv" i seg til å tillate karbon og kollektorplatene å ek-spandere fritt og uavhengig. Et konsept som foreslås ved denne oppfinnelse er basert på elektro-nagling. Ved denne løsning blir ECP'ene installert i en redeanordning (neste ar-rangement) ved å anvende binær sveisningsteknologi og avsluttet i flukt med karbonet. En kollektorplate av bløtt stål med forutborede 20-25 mm hull anbringes over toppen og hvert hull blir så sømsveiset til ECP-metallet. Hovedulempen ved denne fremgangsmåte for fastgjøring er den relative varmeutvidelsesbegrensning som krever at ECP'ene anbringes i en neste anordning med maksimumsdiameter for redet lik 200 mm. Kun ett rede av ECP'er kan anvendes pr. plate.

Redet består av 9 ECP'er, hvorav 8 er anordnet ensartet langs omkretsen som har diameter lik 200 mm, og én i senteret av denne. Et slikt rede kan føre en strøm i størrelse 3,6 til 5,6 kA fra kollektorplaten til katodeblokken.

Fig. 5 og 6 viser en redeanordning av ECP'er. Fig. 5 er et planriss over redeanordningen, mens fig. 6 er et sideriss i tverrsnitt av redeanordningen vist på fig. 5.

i

På fig. 5 og 6 innbefatter anordningen kollektorplater 21, 22 som er beliggende over hverandre. Et første rede 23 av ECP'er er montert med kollektorplate 21 og et andre rede 24 er montert med kollektorplate 22. Hvert rede omfatter ECP'er, hvorav 8 er anordnet i en sirkel og den niende av disse er plassert i midten av sirkelen.

I en alternativ fremgangsmåte ifølge denne oppfinnelse blir hull med diameter lik 30-40 mm forboret i kollektorplaten i et ønsket mønster for ECP-plassering. Dette etterfølges av posisjonering av kollektorplaten over katodeblokken og boring av karbonet i et til-passet mønster. Platen fjernes og nevnte ECP'er installeres ved neddykkingssveisning. Under denne prosess inneholder sveisemetallet karbiddannende arter og så snart dette har oppnådd adekvat gjennomtrengning og fuktning av karbonet, blir en liten stav neddykkingssveiset inn i nevnte ECP. Den forborede kollektorplaten blir så montert over de utragende staver og disse blir så sveiset til stålplaten. Innleggene kan lages av bløtt stål eller kobber. De kan ha en enkel form eller være formet som en krok for å muliggjøre differensial bevegelse mellom karbonet og kollektorplaten av stål. Bruk av neddyk-kingssveisede staver vil muliggjøre differensial varmeutvidelse mellom kollektorplaten og karbonet ved å tillate bøyning av stavene eller ved å bøye eller rette ut krokene. Dette er vist på fig. 1.1 dette tilfellet kan avstanden mellom ytterpluggene i katodeblokken være inntil 800-1000 mm. I grunnleggende trekk finnes der ingen begrensning med hensyn til avstanden mellom ytterpluggene i kontaktsveisesammenstillingen.

Dette system ville tillate nevnte ECP'er å bli plassert i et hvilket som helst mønster og ha fordelen av å være i stand til å innbefatte tilstrekkelig elastisitet og plastisitet inn i stavene for å tillate uavhengig termisk og natriumutvidelse av karbon i forhold til stål-platene.

For å demonstrere fordelene med den foreliggende oppfinnelse i forhold til vanlige smeltingsceller, ble en rekke av elektriske modelleringsstudier gjennomført. Fig. 7 og 8 viser katodestrømtetthet utledet fra modelleringsstudiene. Fig. 7 viser katodestrømtett-heten for en vanlig smeltingscelle som har en katode av grafittkarbon og en vanlig kol-lektorstrømskinne. Fig. 8 viser katodestrømtettheten for en smeltingscelle som har en katode av grafittkarbon, en kollektorplate og elektriske kontaktplugger. Som det vil sees ved å sammenligne fig. 7 med fig. 8, er katodestrømtettheten for cellen som innbefatter den foreliggende oppfinnelse langt jevnere enn katodestrømtettheten for den kon-vensjonelle cellen som er vist på flg. 7.

En testcelle er også blitt konstruert og satt i virksomhet ved søkerens Bell Bay Smelter i Tasmania, Australia. Et endetverrsnitt av katodekonstruksjonen er vist på fig. 9 og et riss fra undersiden av katoden som viser den romlige anordning av de elektriske kontaktplugger fremgår av fig. 10.

For testcellens formål ble vanlige katodeblokker med en sentral bunnkanal for mottag-else av en vanlig kollektorstrømskinne anvendt. For konstruksjonsmessige formål ble en kollektorstrømskinne anbrakt i den sentrale kanalen. Imidlertid var kollektorstrømskin-nen kuttet i to forut for anbringelse i kanalen og endene av de to stykkene av kollektor-strømskinnen ble adskilt med et gap lik 100 mm. Dessuten ble et lag av elektrisk isolerende materiale anbrakt mellom kollektorstrømskinnen og katodeblokken. Disse tiltak sikret at kollektorstrømskinnen ikke ble koblet til katodeblokken.

Idet det nå vises til fig. 9 og 10, har katodeblokken 30, som er laget av antrasittiskgra-fittmessig karbonblanding eller fullstendig grafittisk karbon, en sentral kanal 31 dannet deri. Den sentrale kanalen 31 er ikke vesentlig for den foreliggende oppfinnelse og den ble anvendt i testcellen for å sette katodeblokkene som er produsert i katodeanlegget av smelteren i stand til å bli brukt. Faktisk ville en mer foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse utelate den sentrale kanalen 31 og anvende en katodeblokk som har hovedsakelig flat nedre overflate. En kollektorstrømskinne av stål ble kuttet i to og stykkene 32, 33 ble anbrakt i kanalen 31 med et gap lik ca. 100 mm mellom de res-pektive endedeler derav (best vist i fig. 10).

Kollektorplaten i testcellen omfattet fire (4) remser 34, 35, 36, 37 av bløtt stål. Hver remse 34, 35, 36, 37 hadde fem (5) hull boret deri for å muliggjøre forbindelse av remsene til de elektriske kontaktplugger. Stålremsene og kollektorskinnene ble støtt i mot hverandre og remsene ble sveiset til kollektorskinnene langs remsenes fulle lengde. Etter sveisning ble kollektorskinnen/platesammenstillingene omsnudd og fullstendig sveiset på innsiden av platen/skinnesammenføyningen.

De sveisede sammenstillinger av plate/skinne ble så plassert over katodeblokkene og den nøyaktige plassering av hullene i platene ble overført på katodeblokkene. Hull ble så boret inn i katodeblokkene for å sette elektriske kontaktplugger i stand til å bli dannet i katodeblokkene. Et metallisk lag 38 ble dannet (f.eks. ved støping eller sveisning) på innerveggene av hullene i katodeblokkene og kobberinnleggene 39 ble neddykkingssveiset til det metalliske laget for å skape hver elektriske kontaktplugg. Som det vil sees fra fig. 9, er kobberinnleggene tilstrekkelig lange til å strekke seg gjennom hullene dannet i kollektorplatene. Kobberinnleggene 39 ble så sveiset til kollektorplatene ved å anvende en skive av bløtt stål 40 plassert over kobberinnlegget og sveiset til innlegget og til kollektorplaten.

Et lag av elektrisk isolerende materiale 41 er anbrakt mellom kollektorskinnene 32,33 for å sikre at kollektorskinnene ikke er koblet til katodeblokken 30.

Fig. 10 viser posisjoneringen av de elektriske kontaktplugger. Hver kollektorplate er for-synt med fem (5) elektriske kontaktplugger. Eksempelvis har kontaktplaten 34 elektriske kontaktplugger 42,43,44,45 og 46. For tydelighets skyld er de elektriske kontaktplugger for kollektorplatene 35, 36, 37 ikke blitt angitt med henvisningstall. Kontaktpluggen 42 er plassert 50 mm fra den indre enden 48 av kollektorplaten 34. De elektriske kontaktpluggene 43,44,45 og 46 er respektivt plassert i avstander lik 182,330, 510 og 750 mm fra den indre enden 48 på kollektorplaten 34. Disse posisjoner for de elektriske kontaktplugger ble valgt for å forsøke å oppnå ensartet strømfordeling i metallputen med en minimalisering av horisontale strømmer i metallputen. Det vil forståes at den romlige

fordeling av de elektriske kontaktplugger som er vist på fig. 10 kun er illustrerende og at andre fordelinger kan anvendes dersom andre ønskede elektriske felt og strømfordeling i metallputen ønskes.

Testcellen, som vist på fig. 9 og 10, ble utformet til å operere med parametrene som er vist i tabell 1. For sammenligningsformål er typiske verdier for vanlige celler som betje-nes ved nevnte Bell Bay Smelter også innbefattet i tabell 1.

Elektrisk modellering av testcellen ble utført for å bestemme strømfordeling i standardceller (ved å anvende vanlige innleirede kollektorskinner) og i testcellen. Tabellen 2 er en oppstilling av strømfordelingsdata oppnådd fra 3-D elektrisk modellering, som viser at testcellen har bedre vertikal strømfordeling enn standardcellene. I tabell 2 refererer "Std" seg til en standardcelle med 30% antrasittisk, 70% grafittmessige katoder og "grafittisk Std" refererer seg til en standardcelle med 100% grafittmessige katoder.

Driften av testcellen ved nevnte Bell Bay Smelter viste at en strømvirkningsgrad lik 94,5% ble oppnådd, hvilket står til sammenligning med strømvirkningsgraden lik 92%, som er effektvirkningsgraden for celler ved nevnte Bell Bay Smelter med samme katode og isoleringsmaterialkonstruksjon ved å anvende en standard kollektorskinneteknologi. Initiell effektvirkningsgrad var 14,3 kW t/kg av metall, hvilket står i gunstig forhold til celleeffektvirkningsgraden ved nevnte Bell Bay Smelter for lignende celler som anvender en standard kollektorskinneteknologi med 15,0 kW t/kg av metall. Initielle foringsfall for testcellen ble målt til 160-210 mV, en besparelse i området 110-160 mV i forhold til initiell foringsfall i vanlige celler ved nevnte Bell Bay Smelter. Drift av cellen over en periode av flere uker så at fdringsfallene økte, men at de fortsatt representerte en besparelse i størrelsesorden ca. 70 mV i forhold til standardceller.

Claims (7)

1. Elektrolytisk reduksjonscelle for produksjonen av et metall, innbefattende et ytre skall av stål, et lag av isolerende materiale hosliggende det ytre skallet av stål, et karbonholdig lag som er beliggende over det isolerende materialet og beskytter det isolerende materialet mot et elektrolytisk bad i cellen, idet det karbonholdige laget innbefatter minst en karbonholdig katodeblokk som har et flertall av elektriske kontaktplugger som er montert i elektrisk kontakt med en nedre overflate av katodeblokken, og en kollektorplate i elektrisk kontakt med de elektriske kontaktpluggene,karakterisert vedat de elektriske kontaktpluggene er fordelt på den nedre overflaten av katodeblokken, slik at ved drift av cellen er en i alt vesentlig isopo-tensial overflate på den øvre overflaten av katodeblokken.

2. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 1,karakterisert vedat de elektriske kontaktpluggene er montert i hull i den nedre overflaten av katodeblokken og neddykkingssveiset til hullenes karbonoverflater.

3. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 2,karakterisert vedat de elektriske kontaktpluggene er elektrisk koblet til kollektorplaten ved hjelp av koblingsstaver som er neddykkingssveiset inn i pluggene.

4. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 3,karakterisert vedat koblingsstavene er sveiset til kollektorplaten.

5. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 4,karakterisert vedat koblingsstavene strekker seg fra kontaktpluggene gjennom hull i kollektorplaten til de krokformede ender som er sveiset til kollektorplaten hosliggende hullene deri, for derved å tillate at differensielle utvidelsesbevegelser mellom katodeblokken og kollektorplaten blir ivaretatt ved bøyning av de krokformede koblingsstavene.

6. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat katodeblokken og kollektorplaten har langstrakt utformning og de elektriske kontaktpluggene er anbrakt i en langstrakt oppstilling som strekker seg langs katodeblokken.

7. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 6,karakterisert vedat nevnte oppstilling består av par av sideveis adskilte plugger som er anordnet langs katoden med langsgående avstand som minsker progressivt fra de to endene av katoden.