NO321395B1 - Celle og fremgangsmate for produksjon av aluminium, samt en fremgangsmate for oppstart av cellen - Google Patents

Description

O<p>pfinnelsens område

Oppfinnelsen vedrører en celle for produksjon av aluminium ved elektrolyse av

en aluminiumforbindelse løst i en smeltet elektrolytt, for eksempel alumina løst i en smeltet fluortøbasert elektrolytt. Oppfinnelsen vedrører især en celle med avansert utforming, med en katode med en drenert konfigurasjon og minst en ikke-karbonanode som vender mot katoden, hvor begge elektrodene under drift av cellen er dekket av den smeltede elektrolytt.

Oppfinnelsen vedrører også fremgangsmåter for drift av cellen for å produsere aluminium, og en fremgangsmåte for oppstart av cellen.

O<p>pfinnelsens bakgrunn

Teknologien for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i smeltet kryolittbasert elektrolytt operert ved temperaturer rundt 950 °C, er mer enn 100 år gammel.

Denne prosess, funnet nesten samtidig av Hall og Héroult, er ikke blitt utviklet

like mye som andre elektrokjemiske prosesser, til tross.for den betydelige vekst i totalproduksjonen av aluminium, hvilken i over femti år har økt nesten hundre ganger. Prosessen og celleutformingen har ikke blitt underkastet noen stor endring eller

forbedring, og karbonholdige materialer benyttes ennå som elektroder og celleforinger.

Elektrolysecellens bunn fremstilles vanligvis av et stålskall utstyrt med en isolasjonsforing av ildfast materiale dekket av forbakt antrasitt-grafitt eller massive grafittiske karbonblokker på cellebunnen, hvilken tjener som katode og hvortil den negative pol av en likestrømskilde er koblet ved hjelp av stålstrømskinner innbakt i karbonblokkene. Sideveggene er også dekket av forbakte antrasitt-graifttkarbonplater eller silisiumkarbidplater.

I patentpublikasjon WO-A-92/09724 beskrives aluminiumproduksjonsceller utstyrt med anoder som strekker seg gjennom et isolerende deksel og inn i en smeltet elektrolytt. I patentpublikasjon US-A-5128012 beskrives en Soderberg-anode med en kapsling inneholdende en karbonbasert pasta på bakt karbon anvendt som den konsumerbare anode. Kapslingen er utstyrt med et deksel som er splittet inn i mange dekselseksjoner.

Vanlige aluminiumproduksjonsceller er konstruert slik at det under drift dannes

en saltskorpe av størknet elektrolyttsmelte rundt innsiden av cellens sidevegger. Ved toppen av cellens sidevegger strekker denne saltskorpe seg som et fremspring av størknet elektrolytt innover over toppen av elektrolyttsmelten. Den faste saltskorpe strekker seg faktisk over hele elektrolyttsmelten mellom karbonanodene. For å etterfylle alumina til elektrolyttsmelten for å kompensere for utarmingen under elektrolysen, brytes saltskorpen

periodisk ved valgte steder ved hjelp av en saltskorpebryter, hvorpå ny alumina tilføres gjennom hullet i saltskorpen.

Saltskorpen/fremspringet av størknet elektrolytt danner en del av cellens system for varmeledning i lys av behovet for å holde cellen i kontinuerlig drift til tross for endringer i driftsbetingelser, slik som når anodene erstattes eller på grunn av skade/slitasje på sideveggene, eller på grunn av overoppvarming eller nedkjøling som et resultat av fluktuasjoner i driftsbetingelsene. Med konvensjonelle celler benyttes saltskorpen som et middel til automatisk å opprettholde en tilfredsstillende termisk balanse, fordi saltskorpetykkelsen er selvjusterende slik at de terminske ubalanser derved kompenseres. Dersom cellen overoppvarmes vil saltskorpen delvis oppløses, hvorved den termiske isolasjon reduseres, slik at mer varme fordeles utover, hvilket leder til avkjøling av celleinnholdet. På den annen side, dersom cellen avkjøles vil saltskorpen bli tykkere, hvilket leder til økt termisk isolasjon, slik at mindre varme ledes ut, hvilket leder til oppvarming av celleinnholdet.

Nærværet av en saltskorpe av størknet elektrolytt anses å være nødvendig for å oppnå tilfredsstillende drift av kommersielle celler for produksjon av aluminium i stor skala. Faktisk er varmebalansen ett av de betydeligste problemer ved celleutforming og energiforbruk, ettersom kun ca. 25 % av energien benyttes til produksjonen av aluminium. Optimalisering av varmebalansen behøves for å erholde hensiktsmessig smeltebadtemperatur og varmestrøm for å opprettholde et størknet elektrolyttlag (sidefremspring) med en hensiktsmessig tykkelse.

Betraktninger vedrørende ildfaste og isolerende materialer benyttet i konvensjonelle celler for å styre varmestrømmen er diskutert i monografien "Materials Used in the Hall-Heroult Cell for Aluminium Production" ved H. Zhang. V. de Nora og J.A. Sekhar, publisert av The Minerals, Metals and Materials Society, Pennsylvania, USA, 1994, se især kapittel 6.

I konvensjonelle celler foregår de vesentligste varmetap gjennom sideveggene, strømskinnene og katodebunnen, hvilke står for henholdsvis 35 %, 8 % og 7 % av det totale varmetap, og betydelig innsats nedlegges for å tilveiebringe en korrekt balansering av disse tap.

Ytterligere tap på 33 % finner sted via karbonanodene, 10 % via saltskorpen og 7 % via dekket på cellesidene. Det høye tap via anodene betraktes å være nødvendig for å tilveiebringe den påkrevde termiske gradient gjennom anodene.

I litteraturen er det blitt foreslått celler for drift med ikke-karbonanoder med eller uten en saltskorpe av størknet elektrolytt, men så langt har ingen av disse utforminger vist seg å være hensiktsmessige. Tidligere var dette prinsipielt på grunn av vanskelighetene som støtes på ved å utvikle anodematerialer som forblir tilstrekkelig stabile i det aggressive miljø.

Imidlertid er det selv med tilgjengelige, lovende ikke-karbonanodematerialer, slik som dem basert på nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber, med en oksidoverflate som beskrevet i patentpublikasjon US 5510008 (de Nora et al), ennå et behov for å tilveiebringe en redesignet celle med avansert utforming for å oppnå de potensielle fordeler med oksygenutviklende anodematerialer på den ene side og den drenerte katoMekonifgurasjon på den annen side, og for å forbedre den totale cellevirkningsgrad.

Mens de ovennevnte referanser indikerer pågående bestrebelser for å forbedre driften av elektrolyseoperasjoner med smeltet elektrolytt, finnes ingen veiledning mot den foreliggende oppfinnelse, og det har ikke vært noe forslag på en celle for operasjon med ikke-karbonanoder som kan opereres uten saltskorpedannelse og som videre også letter implementeringen av en drenert katodekonifgurasjon.

Mål med oppfinnelsen

Et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumproduksjonscelle med avansert utforming innbefattende ikke-karbon, oksygenutviklende anoder hvilke er virkningsfulle under drift og kan opereres uten dannelse av en saltskorpe av størknet elektrolytt.

Et annet mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumproduksjonscelle med avansert utforming, hvorved cellevirkningsgraden forbedres ved bedre styring av de termiske tap forbundet med de anodisk utviklede gasser.

Et annet mål med oppfinnelsen er å muliggjøre mer virkningsfull celleoperasjon ved å forbedre fordelingen av elektrisk strøm til katoden som opereres med de ikke-karbon, oksygenutviklende anoder.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med avansert utforming med en ikke-karbonanode i kombinasjon med en ny katode med forbedret fordeling av elektrisk strøm og som lett kan produseres og anordnes i cellen med forenklet demontering av cellen for å erstatte eller overhale katoden.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med avansert utforming hvilken letter implementeringen av en drenert cellekonfigurasjon.

Enda et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med avansert utforming som kombinerer fordelene med en drenert katodekonifgurasjon og ikke-karbon, oksygenutviklende anoder, som er termisk virkningsfull, lett å produsere og overhale, og virkningsfull i drift.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med avansert utforming som gjør det mulig med drenert katodeoperasjon hvor letthet for fjerning av de anodisk produserte gasser kombineres med letthet for oppsamling av det produserte aluminium.

Enda et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumproduksjonscelle hvormed fluktuerende elektriske strømmer som produserer et variabelt elektromagnetisk felt reduseres eller elimineres, hvorved det oppnås reduksjon eller eliminasjon av de ugunstige virkninger som medfører en reduksjon av cellens virkningsgrad.

O ppsummering av oppfinnelsen

Én hovedutførelse av oppfinnelsen vedrører en celle for produksjon av aluminium ved elektrolyse av en aluminiumforbindelse oppløst i en smeltet elektrolytt, og céllen er særpreget ved at den omfatter mange ikke-karbonanoder vendende mot minst én katode dekket av elektrolytten, og et termisk isolasjonsdeksel plassert over nivået av elektrolytten for å redusere varmetap, hvor isolasjonsdekslet omfatter mange avtagbare seksjoner, hvor hver avtagbar seksjon er forbundet med en individuell anode eller en gruppe av anoder slik at isolasjonsdekslet kan fjernes seksjonsvis for utskiftning eller overhaling av hver individuell anode eller gruppe av anoder, hvor hver avtagbar seksjon forbundet med hver individuelle anode eller gruppe av anoder strekker seg sideveis slik at den passer sammen mot en korresponderende avtagbar seksjon forbundet med en hosliggende individuell anode eller gruppe av anoder.

Takket være dette avtagbare termiske isolasjonsdeksel blir varmetapene fra de anodisk utviklede gasser drastisk redusert, hvilket gjør det mulig å operere cellen uten et størknet saltskorpelag over elektrolyttsmelten. Videre er fjerning av anodene for servise enkelt, ved å fjerne hele det termiske isolasjonsdeksel eller ved å fjerne seksjoner av dekslet forbundet med individuelle anoder eller grupper av anoder.

Katoden omfatter fordelaktig en katodemasse båret på en katodebærer fremstilt av elektrisk ledende materiale hvilket også tjener til jevn fordeling av elektrisk strøm til katodemassen fra strømskinnene som kobler katodebæreren til negativ pol. Hele katoden finnes i en ytre struktur hvorfra den er adskilt elektrisk og termisk. Videre detaljer av dette fordelaktige arrangement er beskrevet i søkerens korresponderende internasjonale patentsøknad WO98/53120.

Den avansert utformede celle har fortrinnsvis en ytre cellestruktur med et toppdeksel for ytterligere termisk isolasjon og oppsamling av utviklede gasser. Dette toppdeksél omslutter det avtagbare termiske isolasjonsdeksel plassert like over nivået av elektrolytten, og begge deksler har passasjer for tilførsel av alumina og for utslipp av utviklede gasser under elektrolysen.

Den ovennevnte katodebærer er vanligvis et indre metallskall eller en plate. I noen utførelsesformer strekker det indre metallskall seg i hovedsak til toppen av cellens sidevegger.

Vanligvis er den aktive del av ikke-karbonanoden fullstendig dekket av smeltet elektrolytt, hvorved kun anodestrømtilføreren forblir over elektrolytten. Ikke-karbonanoden kan plasseres over katoden, hvorved anoden og katoden har tilstøtende horisontale overflater, eller har tilstøtende overflater i vinkel mot horisontalen. Alternativt har ikke-karbonanoden vertikale eller hellende aktive deler anordnet mot korresponderende vertikale eller hellende katodeoverflater.

I nesten alle tilfeller vil katoden mest fordelaktig opereres som en drenert katode, selv om det også er mulig å operere katoden med et grunt bad av smeltet aluminium.

Den avansert utformede celle kan ha et avtagbart termisk isolasjonsdeksel anordnet over alle anodene, eller anordnet over en gruppe anoder. Dette termiske isolasjonsdeksel kan fjernes i sin helhet eller seksjonsvis for utskifting eller service av én eller flere av de ikke-karbon, oksygenutviklende anoder hvilke er ikke-konsumerbare eller i hovedsak ikke-konsumerbare.

I en annen utførelsesform er hver anode utstyrt med et termisk isolasjonsdeksel som er avtagbart sammen med en tilhørende anode. I dette tilfelle kan de termiske isolasjonsdeksler for hosliggende anoder anordnes til å passe sammen når anodene nedsenkes i elektrolyttsmelten, for å danne et termisk isolasjonsdeksel over flere eller alle anodene. Når en anode skal fjernes og erstattes eller til service, kan den videre i dette tilfelle fjernes med sitt deksel, og en ny eller overhalt anode utrustet med et deksel kan innsettes istedenfor den fjernede.

Slik det er videre beskrevet i søkerens internasjonale patentsøknad WO98/53120, omfatter katoden i den avansert utformede celle fordelaktig en katodemasse i hovedsak fremstilt av et elektrisk ledende ikke-karbonmateriale eller fremstilt av et ikke-karbon komposittmateriale bestående av et elektrisk ledende materiale og et elektrisk ikke-ledende materiale. Dette ikke-ledende materiale kan være alumina, kryolitt eller andre ildfaste oksider, nitrider, karbider eller kombinasjoner derav.

Det ledende materiale i katoden kan innbefatte minst ett metall fra gruppene IIA, IIB, HIA, UIB, IVB, VB, og lantanrekken i det periodiske system, især aluminium, titan, sink, magnesium, niob, yttrium og cerium, og legeringer og intermetalliske forbindelser derav.

I ethvert tilfelle har bindemetallet i komposittmaterialet vanligvis et smeltepunkt fra 650 °C til 970 °C. For eksempel er komposittmaterialet fordelaktig en masse fremstilt av alumina og aluminium eller en aluminiumlegering, se patentpublikasjon US 4650552 (de Nora et al), eller en masse fremstilt av alumina, titandiborid og aluminium eller en aluminiumlegering.

Komposittmaterialet kan også oppnås ved reaksjon ved bruk av reaktanter slik som Ti02, B203 og Al.

Katodemassen kan alternativt fremstilles i hovedsak av karbonholdig materiale, slik som kompaktert karbonpulver, en karbonbasert pasta for eksempel som beskrevet i patentpublikasjon US 5362366 (Sekhar et al), forbakte karbonblokker sammenstilt på skallet, eller grafittblokker, -plater eller -fliser.

Katodemassen er fortrinnsvis uinntrengelig for, eller gjøres uinntrengelig for, smeltet aluminium og den smeltede elektrolytt.

For operasjon som en drenert katode eller med et grunt bad av aluminiumsmelte, er katodens aktive overflate, vanligvis dens øvre aktive overflate, aluminiumfuktbar, for eksempel er den øvre overflate på katodemassen belagt med et belegg av ildfast aluminiumfftktbart materiale, slik som slurrypåført titandiborid slik det er beskrevet i patentpublikasjon US 5316718 (Sekhar et al). Videre, når katoden har et indre katodemetallbærerskall eller -plate, kan den øvre overflate i kontakt med katodemassen belegges med et belegg av ildfast aluminiumfuktbart materiale eller andre beskyttende materialer.

Det er fordelaktig om overflaten på katodemassen holdes ved en temperatur tilsvarende en pastatilstand for elektrolytten, hvorved katodemassen beskyttes fra kjemisk angrep. For eksempel når den kryolittbaserte elektrolytt er ved ca. 950 °C, kan overflaten på katodemassen kjøles ca. 30 °C, hvorved elektrolytten som kontakterer katodeoverflaten danner en viskøs pasta som beskytter katodeoverflaten. Overflaten på katodemassen kan holdes ved den valgte temperatur ved tilførsel av gass via et luft- eller gassrom mellom katodeholderen og den elektrisk- og termisk isolerende masse.

Anodene fremstilles især av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber med en oksidoverflate. Anodene er for eksempel et reaksjonsprodukt av en pulverblanding av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber, som beskrevet i patentpublikasjon US 5510008 (de Nora et al). Under bruk kan anodene beskyttes ved et in situ-dannet eller opprettholdt beskyttende belegg av ceriumoksyfluorid, som beskrevet i patentpublikasjon US 4614569 (Duruz et al).

Når en anode må skiftes under drift, kan den fjernes med sin tilhørende seksjon av det termiske isolasjonsdeksel og erstattes med en ny anode utrustet med den samme seksjon av isolasjonsdekslet eller med sitt eget termiske isolasjonsdeksel. Det er fordelaktig å forvarme hver ikke-karbonanode før den installeres i cellen under drift, ved utskiftning av en anode som er blitt deaktivert eller behøver overhaling. Ved forvarming av anodene unngås forstyrrelser i celleoperasjonen på grunn av lokal avkjøling, slik som dannelse av en elektrolyttskorpe, hvorved en del av anoden ikke er aktiv inntil elektrolyttsaltskorpen har smeltet.

Med oppfinnelsen tilveiebringes også fremgangsmåter for fremstilling av aluminium, slik det går frem av krav 15 og 18-20, samt en fremgangsmåte for oppstart av cellen ifølge oppfinnelsen, i henhold til krav 17.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil beskrives nærmere med henvisning til de tilhørende skjematiske tegninger, hvor:

Fig. 1 er et snitt gjennom en del av en aluminiumproduksjonscelle med avansert utforming i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2 er et snitt gjennom en del av en annen aluminiumproduksjonscelle med avansert utforming i henhold til oppfinnelsen; og Fig. 3 er et snitt gjennom en del av enda en aluminiumproduksjonscelle med avansert utforming i henhold til oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

Aluminiumproduksjonscellen ifølge oppfinnelsen som delvis er vist på Fig. 1 omfatter et katodekar 20 innkapslet i et ytre skall 21 féret med ildfaste steiner 40 og andre hensiktsmessige elektrisk- og termisk isolerende materialer, understøttende en katode 30 operert i en drenert konfigurasjon. Hensiktsmessige elektrisk- og termisk isolasjonsmaterialer er listet opp i den tidligere nevnte monografi "Materials Used in the Hall-Heroult Cell for Aluminium Production" ved H. Zhang. V. de Nora og J.A. Sekhar.

Over katoden 30 er det hengt opp en rekke ikke-karbon i hovedsak ikke-konsumerbare oksygenutviklende anoder 10 anordnet i rekke side ved side, hvorav én slik anode 10 er vist. Hver andre omfatter en rekke horisontalt anordnede aktive nedre plater, staver eller skinner 16 opphengt i en vertikal strøminnledende stav 14 via strømfordelingselement 18.

I den illustrerte utførelsesform omfatter katoden 20 en metallisk katodebærer 21 i form av et skall eller skålformet plate hvortil elektrisk strøm tilføres gjennom strømfordelingsskinner 42 som går gjennom åpninger 43 i cellebunnen, som vist, eller gjennom sidene. Som illustrert har det indre skall 31 flat bunn og hellende sidevegger 33, og danner en oppad åpen beholder for en katodemasse 32. Som vist kan denne katodemasse 32 anbringes rundt kantene på katodebærerens 32 hellende sidevegger 33.

Katodemassen 32 er fordelaktig en kompositt av et aluminium-aluminium-titandiboridmateriale, for eksempel fremstilt ved mikropyretisk reaksjon av Ti02, B2O3 og Al. Slike komposittmaterialer har en viss plastisitet ved cellens driftstemperatur; og når de er understøttet av en fast katodeholderplate eller skall 31 har disse materialer den fordel at de kan oppta i seg virkningene av de termiske forskjeller under celleoppstarten og -driften, mens det samtidig opprettholdes god konduktivitet som er nødvendig for effektiv drift som katodemase.

Katodemassen 32 kan alternativt fremstilles av karbonholdig materiale, for eksempel pakket karbonpulver, grafittisert karbon eller stablede plater eller slabber av karbon overliggende hverandre og separert med lag av et materiale som er ugjennomtrengelig for inntrengning av smeltet aluminium.

På grunn av metallets konduktivitet i katodebærerskallet 31, holdes oppsamlingsskinner 42 alle ved praktisk talt samme elektriske potensiale, hvilket leder til jevn strømfordeling i oppsamlingsskinnene 42. Videre vil det metalliske indre skall 31 gi jevn fordeling av elektrisk strøm i katodemassen 32.

Slik det er vist er det fordelaktig med et luft- eller gassrom 52 anbragt mellom undersiden av katodebærerskallet 31 og toppen av steinene 40, for eksempel ved hjelp av horisontale dragere 51. Dette rom 52 tjener som et termisk isolasjonsrom. Det er videre mulig å justere temperaturen av katoden 30 (skall 31 og katodemasse 32) ved å tilføre en varmende eller kjølende gass til rommet 52. For eksempel under celleoppstart kan katoden 30 oppvarmes ved å føre varm gass gjennom rommet 52. Eller gjennom drift kan overflaten av katodemassen 32 kjøles for å bringe den kontakterende elektrolytt 54 til form av en beskyttende pasta.

Slik kjøling av katoden 30 under drift er særlig fordelaktig med denne avanserte celleutforming i kombinasjon med den totale termiske isolasjon av cellen, hvilket muliggjør kontinuerlig drift med en kontrollert termisk balanse, hvorved maksimal cellevirkningsgrad oppnås.

Rommet 52 kan derved benyttes til å justere de termiske betingelser inne i cellen, særlig for å opprettholde den smeltede elektrolytt 54 ved en stabil temperatur til tross for forstyrrelser som finner sted under celledriften, for eksempel når anodene 10 fjernes og erstattes, slik at dannelsen av en saltskorpe av størknet elektrolytt kan unngås eller minimeres.

Som vist har den sentrale del av toppen av katodemassen 32 en flat overflate 35 som er hellende på langs av cellen og leder ned til en kanal eller et lager for drenering av smeltet aluminium, plassert ved den nedre ende av cellen. På toppen av katodemassen 32 er et belegg 37 av aluminiumfuktbart materiale, fortrinnsvis et slurrypåført boridbelegg som beskrevet i patentpublikasjon US 5316718 (Sekhar et al). Slikt belegg 37 kan også påføres til de indre overflater på bunnen og sidene 33 på katodeholderskallet 31, for å forbedre den elektriske kobling mellom det indre skall 31 og katodemassen 32.

Over hver anode 10, hvilende på strømfordelingselementene 18, er et termisk isolasjonsdeksel 60, formet som en generelt horisontal plate av hensiktsmessig materiale med relativt lett vekt og med termisk isolasjon. Dette termiske isolasjonsdeksel 60 strekker seg sideveis slik at det på utsiden passer mot innsiden av toppen av cellesideveggen 22, hvorved det etterlates et gap 65, og på innsiden passer det mot det tilsvarende deksel 60' for en tilstøtende anode, hvorved det også etterlates et gap 66.1 den langsgående retning av cellen passer også dekslene 60, 60' sammen, hvorved det etterlates et gap derimellom om ønskelig.

Når anoden 10 senkes til sin driftsposisjon hvor den aktive del 16 av anoden holdes med et lite mellomrom over katodeoverflaten 35, holdes det termiske isolasjonsdeksel 60 jevnt med eller like over toppen av cellesideveggene 22 og like over nivået av elektrolytten 54.

Under drift kan de anodisk frigjorte gasser unnslippe oppover rundt kantene av det termiske isolasjonsdeksel 60 gjennom gapene 65 og gjennom de eventuelle ytterligere passasjer 61 for utslipp av de anodisk frigjorte gasser, etter behov.

I senteret av cellen har dekslene 60 åpninger 63, eventuelt utrustet med stengeluker, for tilførsel av alumina til cellen for å erstatte aluminaet konsumert under elektrolyse, ©ette kan utføres ved bruk av punktfødere 64 som kan være av en kjent type.

Cellens ytre struktur omfatter også et toppdeksel 70 for ytterligere termisk isolasjon og for oppsamling av de utviklede gasser. Toppdekslet 70 innkapsler de avtagbare termiske isolasjonsdeksler 60, 60', og toppdekslet 70 har også passasjer 71 for tilførsel av alumina og 72 for anodestavene 14 og for utslipp av gassene utviklet under elektrolyse.

Den beskrevne celle med avansert utforming har en total utmerket termisk virkningsgrad på grunn av blant annet det nye arrangement med avtagbare isolasjonsdeksler 60, 60' plassert like over nivået av elektrolyttsmelten 54.

Den termiske isolasjon av cellebunnen 20 og sideveggene 22 er tilstrekkelig til å muliggjøre tilstrekkelig dissipasjon av varme for å ta i seg varmen produsert under elektrolyse, hvilken primært skyldes den elektriske motstand i elektrolyttsmelten 54 i anode-katodegapet.

På grunn av at den avansert utformede celle gjør bruk av ikke-karbon oksygenutviklende anoder 10 vendende mot en dimensjonsstabil drenert katode 30 med aluminiumfuktbar driftsoverflate 35/37, kan cellen opereres med et smalt anode-katodegap, for eksempel på ca. 3 cm eller mindre, istedenfor ca. 4 til 5 cm som for konvensjonelle celler. Dette smalere anode-katodegap betyr en betydelig reduksjon i varmen produsert under elektrolyse, hvilket medfører et behov for ekstra isolasjon for å hindre størkning av elektrolytten 54.

I den avansert utformede celle ifølge oppfinnelsen kan isolasjonen i cellebunnen 20 og sideveggene 22 økes sammenlignet med de vanlige arrangementer i konvensjonelle celler, for å redusere varmetapet gjennom cellestrukturen.

Viktigere er det at de avtagbare termiske isolasjonsdeksler 60, 60' plassert like over nivået av elektrolyttsmelten 54 i betydelig grad reduserer varmetapene via anodene 10 og sikrer hensiktsmessig styring av de termiske tap fra de anodisk utviklede gasser. Isolasjonen av den øvre del av den avansert utformede celle økes med det ytre deksel 70, hvilket tilveiebringer en dobbelt isolasjon på toppen av cellen.

Det eventuelle luft- eller gassrom 52 tilveiebringer en ytterligere måte å styre cellens varmebalanse, selv uten tilførsel av varmende/kjølende gass. Imidlertid tilveiebringer muligheten for å tilføre en varmende/kjølende gass via rommet 52 en ytterligere måte for å holde cellen og elektrolytten 54 ved en optimal driftstemperatur uten dannelse av en saltskorpe eller med minimal saltskorpedannelse. Under drift er det fordelaktig å forvarme hver anode 10 før den installeres i cellen til erstatning av en anode 10 som er blitt deaktivert eller behøver overhaling. Ved forvarming av anodene 10 unngås forstyrrelser i celledriften på grunn av lokal avkjøling. Dette hemmer særlig dannelsen av en elektrolyttsaltskorpe, hvilket vil kunne lede til at en del av anoden deaktiveres inntil elektrolyttsaltskorpen har smeltet.

Med den beskrevne forbedrede celleisolasjon, kan den termiske virkningsgrad av cellen forbedres betraktelig, hvorved prosessens totale energivirkningsgrad forbedres.

Fig. 2 illustrerer en del av en annen celle ifølge oppfinnelsen, innbefattende en anodestruktur med modifisert utforming, hvor de samme henvisningstall benyttes for å betegne tilsvarende elementer som tidligere eller deres ekvivalenter, hvilket ikke vil beskrives i full detalj på nytt.

I cellen på Fig. 2, over katoden 30, er opphengt en rekke ikke-karbon i hovedsak ikke-konsumerbare oksygenutviklede anoder 10, hvor hver anode 10 omfatter en rekke hellende aktive nedre plater 16 opphengt med en vertikal strøminnledende stav 14 via strømfordelingselementer 18.

I dette eksempel er de strømfordelende elementer 18 formet av en rekke side-ved-side hellende metallplater 16 sammenkoblet med tverrplater som ikke er vist. De aktive deler av anodene er dannet med de hellende plater 16 hvilke for eksempel er fremstilt av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber, med en oksidoverflate som beskrevet i patentpublikasjon US 5510008 (de Nora et al). Platene 16 er anordnet i tilstøtende par som danner en taklignende konfigurasjon. De hellende indre aktive overflater på anodene 10 assisterer til fjerningen av de anodisk utviklede gasser, i hovedsak oksygen.

Den illustrerte anode 10 har tre par hellende plater 16 i taklignende konfigurasjon. Imidlertid kan anoden 10 innbefatte hvilket som helst hensiktsmessig antall av disse par med hellende plater.

Istedenfor å være hel, kan platene 16 erstattes av en rekke staver eller fingre anordnet fra hverandre og også med helning. I dette tilfelle kan de anodisk utviklede gasser unnslippe mellom stavene eller fingrene.

I utførelsesformen på Fig. 2 omfatter katoden 30 også en metallisk katodebærer 31 i form av et skall eller en tallerkenformet plate hvortil strøm tilføres gjennom strømfordelingsskinnene 42 som i dette tilfelle er horisontale og ført gjennom siden av cellen. Som tidligere har det indre skall 31 en flat bunn og hellende sidevegger 33, og danner en oppad åpen beholder for en katodemasse 32 som fordelaktig er et komposittmateriale av aluminium-aluminium-titandiborid, for eksempel fremstilt med mikropyretisk reaksjon av Ti02, B203 og Al og som formes rundt kantene av katodebærerens 32 hellende sidevegger 33.

Den sentrale del av toppen av katodemassen 32 har en flat overflate som kan være hellende på langs av cellen og lede til en kanal eller et lager for drenert smeltet aluminium, plassert ved én ende av cellen. På toppen av katodemassen 32 finnes et belegg 37 av aluminiumfuktbart materiale, fortrinnsvis et slurrypåført boridbelegg som beskrevet i patentpublikasjon US 5316718 (Sekhar et al.). Som vist på Fig. 2 er det på toppen av katodemassen 32 anordnet mange aktive katodelegemer 39 med hellende overflate, hvilke også er belagt med aluminiumfuktbart belegg 37 og som vender mot de tilstøtende, hellende overflater på de aktive anodeplater eller staver 16.

Ovef hver anode 10, hvilende på strømfordelingselementene 18, er det termiske isolasjonsdeksel 60.1 eksemplet på Fig. 2 er det termiske isolasjonsdeksel 60 understøttet av den vertikale anodestrøm 14 ved hjelp av en bærerflens 68 som etterlater et gap 63' for gassfrigivelse. Slik som tidligere strekker det termiske isolasjonsdeksel 60 seg sideveis, slik at det på utsiden passer mot innsiden av toppen av cellesideveggen 22 og etterlater et gap 65, og på innsiden passer det mot tilsvarende deksel for en hosliggende anode, som for Fig. 1.1 den langsgående retning av cellen passer dekslet 60 også til de i langsgående retning hosliggende anoder 10, hvorved det etterlates et gap derimellom, om ønskelig.

Med dette modifiserte anode-katodearrangement, og når anoden 10 senkes til sin driftsposisjon, holdes de hellende aktive plater eller staver 16 på anoden 10 med et lite mellomrom over den hellende katodeoverflate 35.1 denne driftsposisjon av anodene holdes det termiske isolasjonsdeksel 60 i nivå med eller like over toppen av cellesideveggene 22 og like over nivået av elektrolytten 54.

Under drift kan de anodisk frigitte gasser unnslippe oppover rundt kantene av det termiske isolasjonsdeksel 60 gjennom gapene 65 og 63' for utslipp av de anodisk frigitte gasser.

I senteret av cellen har dekslene 60 åpninger som beskrevet i forbindelse med Fig. 1 for tilførsel av alumina til cellen, for erstatning av aluminaet konsumert under elektrolysen, ved bruk av punktfødere 64 som kan være av en kjent type.

Den ytre struktur av cellen på Fig. 2 omfatter også et toppdeksel 70 for ytterligere termisk isolasjon og for oppsamling av de utviklede gasser. Toppdekslet 70 omslutter de avtagbare termiske isolasjonsdeksler 60, og toppdekslet 70 har også passasjer for tilførsel av alumina og for utslipp av gassene utviklet under elektrolyse.

Den beskrevne avansert utformede celle ifølge Fig. 2 har også en totalt sett utmerket termisk virkningsgrad på grunn av blant annet det nye arrangement med avtagbare isolasjonsdeksler plassert like over nivået av elektrolyttsmelten 54, slik det er beskrevet i forbindelse med Fig. 1.

I denne avansert utformede celle gjøres det bruk av hellende ikke-karbon oksygenutviklende anoder 10 vendende mot en dimensjonsstabil drenert katode 30 med hellende aluminiumfuktbar driftsoverflate 35/37, hvilket gjør det mulig å operere cellen med et lite anode-katodegap, eksempelvis ca. 3 cm eller mindre (særlig på grunn av den forbedrede gassfrigivelse med hellende anode-katodeoverflater), istedenfor ca. 4 til 5 cm som for konvensjonelle celler. Som diskutert ovenfor betyr dette mindre anode-katodegap en betydelig reduksjon i varmen produsert under elektrolyse, hvilket leder til et behov for ekstra isolasjon for å forhindre størkning av elektrolytten.

Fig. 3 viser en del av en aluminiumproduksjonscelle med drenert katode, omfattende mange ikke-karbonoksygenutviklende anoder 10 opphengt over en katode 30 omfattende en katodemasse 32A, 32B med hellende katodeoverflater 35 og belagt med et aluminiumfuktbart belegg 37, for eksempel et slurrypåført titandiboirdbelegg i henhold til patent US 5316718 (Sekhar et al).

Den nedre del 32B av katodemassen er fordelaktig et komposittmateriale av aluminium-aluminium-titanborid, for eksempel fremstilt ved mikropyretisk reaksjon av Ti02, B203 og Al. Slike komposittmaterialer har en viss plastisitet ved cellens driftstemperatur og har fordel ved at de kan ta i seg virkningene av de termiske forskjeller under celleoppstart og drift, samtidig som god konduktivitet opprettholdes, hvilket er nødvendig for effektiv drift som katodemasse.

Den øvre del 32Aav katodemassen kan fremstilles av karbonholdig materiale, for eksempel pakket karbonpulver, grafittisert karbon eller stablede plater eller slabber av karbon overlappende hverandre og separert med lag av et materiale som er uinntrengelig for inntrengning av smeltet aluminium. Katodehelningen kan oppnås ved bruk av tverrsnittede sammenstilte katodeblokker, hvor de hellende overflater av de sammenstilte katodeblokker danner den aktive katodeoverflate, slik det er beskrevet nærmere i internasjonal patentsøknad WO 96/07773 (de Nora).

Som illustrert har hver karbonblokk som utgjør den øvre del 32A av katodemassen i sin nedre overflate to metalliske strømskinner 42 for jevn fordeling av elektrisk strøm i blokkene. Rundt kantene er den øvre del 32A av katodemassen omgitt av en masse av rammepasta 32C, hvilken alternativt kan erstattes av silisiumkarbidplater.

Den nedre del 32B av katodemassen understøttes av et metallisk katode-holderskall eller -plate 31, som beskrevet i søkernes internasjonale patentsøknad WO98/53120, hvortil strøm tilføres gjennom én eller flere strømoppsamlingsstaver som strekker seg gjennom den elektriske og termiske isolasjon 40 i bunnen av cellen, eller gjennom sidene av cellen.

Som vist er de gjeldende aktive katodeoverflater 35 anordnet i en rekke av parallelle rader med omtrentlig triangulært tverrsnitt, hvilke strekker seg langs (eller på tvers) av cellen. Disse overflater 35 heller med en vinkel på for eksempel 30° til 60° mot horisontalen, for eksempel ca. 45°. Helningen er slik at det produserte aluminium dreneres effektivt, hvorved det unngås produksjon av en suspensjon av partikler av aluminium i elektrolytten 54.

Mellom de tilstøtende hellende overflater 35 er en kanal 38 hvortil aluminium fra overflatene 35 kan drenere. Det er hensiktsmessig om hele aluminiumproduksjonscellen har en langsgående helling, slik at aluminium oppsamlet i kanalene 38 kan dreneres til én ende av cellen hvor det samles i et lager inne i eller på utsiden av cellen.

Anodene 10 opphenges over katoden 30 med en rekke aktive hellende anodeoverflater på hellende plater 16 tilstøtende korresponderende hellende katodeoverflater 35, hvorved det etterlates et smalt anode-katodegap, hvilket kan være mindre enn 3 cm, for eksempel ca. 2 cm. Den aktive del av anodene dannet av platene 16 fremstilles for eksempel av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber med en oksidftverflate som beskrevet i patentpublikasjon US 5510008 (de Nora et al). Som vist på Fig. 3 anordnes disse plater 16 i tilstøtende par som danner en taklignende konfigurasjon.

De hellende indre aktive flater på anodeplatene 16 assisterer under fjerning av de anodisk utviklede gasser, i hovedsak oksygen. Den valgte helning - som er den samme som den for katodeoverflatene 35, for eksempel ca. 45° - er slik at boblene av anodisk frigjort gass effektivt fjernes fra den aktive anodeoverflate før boblene blir for store. Risikoen for at disse gassbobler samvirker med eventuelle partikler av aluminium i elektrolytten 54 reduseres eller elimineres derved.

Hver anode 10 omfatter en sammenstilling av metallelementer som tilveiebringer en jevn fordeling av elektrisk strøm til de aktive anodeflater 16. Til dette formål er de aktive anodeplater 16 opphengt i tverrgående ledende plater 18 festet under en sentral langsgående plate 19 hvor anoden er opphengt fra en vertikal strøminnførende opphengningsstav 14, for eksempel med rundt eller kvadratisk tverrsnitt.

Hver anode 10 utgjøres av for eksempel opp til fire par aktive anodeplater 16 holdt fra hverandre og parallelt med hverandre og symmetrisk anordnet rundt den strøminnførende stav 14. Hver aktive anodeplate 16 bøyes mer eller mindre rundt sitt senter med ca. 45°, hvor de motsatte plater 16 for hvert par går utover fra hverandre med deres nedre utbøyde ender stikkende ut, slik at de passer over de korresponderende hellende katodeoverflater 35.1 deres øvre deler har anodeplatene 16 åpninger 17 hvorigjennom anodisk frigjort gass kan føres og hvilke tjener til sirkulasjon av elektrolytten 54 indusert av den frigitte gass.

Over de aktive deler av anoden 10 er det understøttet et horisontalt avtagbart isolasjonsdeksel 60 som hviler over nivået av elektrolytten 54. Dekslet 60 er laget i seksjoner som er avtagbare individuelt med de respektive anoder 10, med gap 66 for gassfrigivelse. Gassfrigivelsesgapene 63' er også eventuelt anordnet rundt anodestavene 14.

På toppen av cellen finnes et ytre horisontalt deksel 70 med en sentral åpning for å tillate passasje av anodene 10 og seksjoner av dekslet 60 når anodene behøver overhaling. Det er også tilveiebragt åpninger for tilførsel av alumina mellom anodene 10.

Under drift av cellen ifølge Figurene 2 og 3 er det også fordelaktig slik som diskutert vedrørende Fig. 1, å forvarme hver anode 10 før den installeres i cellen til erstatning av en anode 10 som er blitt deaktivert eller behøver overhaling.

Det er også mulig å tilveiebringe et luft- eller gassrom, lik rommet 52 på Fig. 1, i utførelsesformene ifølge Figurene 2 og 3.

Claims (20)

1. Celle for produksjon av aluminium ved elektrolyse av en aluminiumforbindelse oppløst i en smeltet elektrolytt, karakterisert ved at cellen omfatter mange ikke-karbonanoder vendende mot minst én katode dekket av elektrolytten, og et termisk isolasjonsdeksel plassert over nivået av elektrolytten for å redusere varmetap, hvor isolasjonsdekslet omfatter mange avtagbare seksjoner, hvor hver avtagbar seksjon er forbundet med en individuell anode eller en gruppe av anoder slik at isolasjonsdekslet kan fjernes seksjonsvis for utskiftning eller overhaling av hver individuell anode eller gruppe av anoder, hvor hver avtagbar seksjon forbundet med hver individuelle anode eller gruppe av anoder strekker seg sideveis slik at den passer sammen mot en korresponderende avtagbar seksjon forbundet med en hosliggende individuell anode eller gruppe av anoder.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at hver dekselseksjon er avtagbar med den individuelle anode eller gruppe av anoder forbundet dermed.

3. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at katoden omfatter en katodemasse understøttet av en katodebærer fremstilt av elektrisk ledende materiale som også tjener til jevn fordeling av elektrisk strøm til katodemassen fra strømtilførere som kobler katodebæreren til de negative strømskinner, hvor hele katoden forefinnes i en ytre struktur hvorfra den er separert elektrisk og termisk.

4. Celle ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den omfatter en ytre cellestruktur som har et toppdeksel for ytterligere termisk isolasjon og oppsamling av de utviklede gasser, hvor toppdekslet omslutter det avtagbare termiske isolasjonsdeksel plassert like over nivået av elektrolytten, hvor begge deksler har passasjer for aluminatilførsel og for utslipp av gasser utviklet under elektrolyse.

5. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den aktive del av ikke-karbonanoden dekkes fullstendig av elektrolyttsmelten.

6. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ikke-karbonanoden er over katoden.

7. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ikke-karbonanoden har vertikale eller hellende aktive deler vendende mot korresponderende vertikale eller hellende katodeoverflater.

8. Cellé<*>ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter et avtagbart termisk isolasjonsdeksel anordnet over mange anoder.

9. Celle ifølge krav 2, karakterisert ved at hver anode er utrustet med et termisk isolasjonsdeksel som er avtagbart med anoden.

10. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at katoden omfatter en katodemasse i hovedsak fremstilt av et elektrisk ledende ikke-karbonmateriale.

11. Celle ifølge krav 10, karakterisert ved at katodemassen er fremstilt av et komposittmateriale fremstilt av et elektrisk ledende materiale og et elektrisk ikke-ledende materiale.

12. Celle ifølge et hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at den øvre overflate på katodemassen er belagt med et belegg av ildfast aluminiumfuktbart materiale.

13. Celle ifølge et hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at anodene er fremstilt av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber med en oksidoverflate.

14. Celle ifølge krav 13, karakterisert ved at anodene er et reaksjonsprodukt av en pulverblanding av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber.

15. Fremgangsmåte for fremstilling av aluminium, karakterisert ved at det gjøres bruk av cellen ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvorved overflaten av katoden holdes ved en temperatur som medfører en pastatilstand av elektrolytten, hvorved katoden beskyttes mot kjemisk angrep.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at overflaten på katoden holdes ved den valgte temperatur ved tilførsel av gass via et luft- eller gassrom mellom katoden og en elektrisk og termisk isolasjonsmasse som utgjør en celleforing.

17. Fremgangsmåte for oppstart av cellen ifølge et hvilket som helst av kravene 1-14, karakterisert ved at katoden varmes ved å tilføre oppvarmende gass via et luft-eller gassrom mellom katoden og en elektrisk og termisk isolasjonsmasse som utgjør en cellefdring.

18. Fremgangsmåte for drift av cellen ifølge et hvilket som helst av kravene 1-14, karakterisert ved at anodene skiftes under drift ved å fjerne en anode med sitt tilhørende termiske isolasjonsdeksel og å erstatte denne med en ny anode med det samme termiske isolasjonsdeksel eller med sitt eget termiske isolasjonsdeksel.

19. Fremgangsmåte for drift av cellen ifølge et hvilket som helst av kravene 1-14, karakterisert ved at før en anode installeres i cellen under drift, blir anoden forvarmet.

20. Fremgangsmåte for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av en aluminiumforbindelse oppløst i en smeltet elektrolytt i en celle i henhold til et av kravene 1-14, karakterisert ved at isolasjonsdekslet er utstyrt med åpninger for tilførsel av alumina, og fremgangsmåten omfatter å erstatte alumina konsumert under elektrolyse ved å tilføre alumina til elektrolyttsmelten gjennom nevnte åpninger i isolasjonsdekslet og elektrolysere det tilførte alumina for å fremstille aluminium.