NO321787B1

NO321787B1 - Drained cathode cell for aluminum production, and process for making aluminum

Info

Publication number: NO321787B1
Application number: NO20000095A
Authority: NO
Inventors: Jean-Jacques Duruz; Vittorio De Nora
Original assignee: Moltech Invent Sa
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2006-07-03
Also published as: CA2295495A1; AU8031398A; DE69837966D1; CA2295495C; WO1999002764A1; EP0996773B1; NO20000095D0; EP0996773A1; DE69837966T2; NO20000095L

Description

O ppfinnelsens område The field of the invention

Den foreliggende oppfinnelse vedrører celler for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av en aluminiumforbindelse oppløst i en smeltet elektrolytt, for eksempel alumina oppløst i en smeltet fluoridbasert elektrolytt. The present invention relates to cells for the production of aluminum by electrolysis of an aluminum compound dissolved in a molten electrolyte, for example alumina dissolved in a molten fluoride-based electrolyte.

Oppfinnelsen vedrører særlig en aluminiumproduksjonscelle med drenert konfigurasjon, med hvilken aluminiumsmeltebadet som beskytter karbonkatodene ikke lenger er nødvendig fordi karbonkatodene beskyttes av et aluminiumfuktbart belegg eller er fremstilt av ikke-karbon og er drenerte, hvorved aluminiumet som blir produsert og som dannes på den drenerte overflate oppsamles og avtappes. In particular, the invention relates to an aluminum production cell with a drained configuration, with which the aluminum melting bath protecting the carbon cathodes is no longer necessary because the carbon cathodes are protected by an aluminum wettable coating or are made of non-carbon and are drained, whereby the aluminum produced and formed on the drained surface is collected and bottled.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium med denne drenerte katodecelle. The invention also relates to a method for producing aluminum with this drained cathode cell.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

Teknologien for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i smeltet kryolittbasert elektrolytt operert ved temperatur rundt 950 °C, er mer enn 100 år gammel. The technology for producing aluminum by electrolysis of alumina dissolved in molten cryolite-based electrolyte, operated at a temperature of around 950 °C, is more than 100 years old.

Denne prosess, funnet nesten samtidig av Hall og Heroult, er ikke blitt utviklet like mye som andre elektrokjemiske prosesser, til tross for den betydelige vekst i totalproduksjonen av aluminium, hvilken over 50 år har økt nesten 100 ganger. Prosessen og celleutformingen har ikke blitt underkastet noen stor endring eller forbedring, og karbonholdige materialer benyttes ennå som elektroder og celleforinger. This process, discovered almost simultaneously by Hall and Heroult, has not been developed as much as other electrochemical processes, despite the significant growth in the total production of aluminum, which over 50 years has increased almost 100 times. The process and cell design have not undergone any major change or improvement, and carbonaceous materials are still used as electrodes and cell linings.

Elektrolysecellens bunn fremstilles vanligvis av et stålskall utstyrt med en isolerende foring av et ildfast materiale dekket av forbakt antrasitt-grafitt eller massive grafittiske karbonblokker på cellebunnen, hvilken tjener som katode hvortil den negative pol av en likestrømskilde er koblet ved hjelp av stålstrømskinner innbakt i karbonblokkene. Sideveggene er også dekket av forbakte antrasitt-grafittkarbonplater eller silisiumkarbidplater. The bottom of the electrolysis cell is usually made of a steel shell equipped with an insulating lining of a refractory material covered by pre-baked anthracite-graphite or massive graphitic carbon blocks on the cell bottom, which serves as a cathode to which the negative pole of a direct current source is connected by means of steel current rails baked into the carbon blocks. The side walls are also covered with pre-baked anthracite-graphite carbon plates or silicon carbide plates.

Anodene blir ennå fremstilt av karbonmaterialer og må erstattes etter få uker. Driftstemperaturen er ennå ca. 950 °C for å ha en tilstrekkelig høy rate for oppløsning av alumina, hvilken senkes ved lavere temperaturer, og for å ha en høyere konduktivitet i elektrolytten. The anodes are still made of carbon materials and must be replaced after a few weeks. The operating temperature is still approx. 950 °C to have a sufficiently high rate of dissolution of alumina, which is lowered at lower temperatures, and to have a higher conductivity in the electrolyte.

Karbonmaterialene benyttet i Hall-Heroult-celler som celleforinger forringes under de eksisterende ugjestmilde driftsbetingelser og begrenser cellens levetid. The carbon materials used in Hall-Heroult cells as cell liners deteriorate under the existing inhospitable operating conditions and limit the life of the cell.

En annen vesentlig ulempe skyldes imidlertid de irregulære elektromagnetiske krefter som danner bølger i aluminiumsmeltebadet, og videre at anode-katodeavstanden (ACD), også kalt interelektrodegapet (IEG), må holdes ved en sikker minimumsverdi på ca. 50 mm for å unngå kortslutning mellom aluminiumkatoden og anoden, eller reoksidasjon av metallet ved kontakt med CO2-gass dannet ved anodeoverflaten, hvilket leder til et lavere strømutbytte. Another significant disadvantage, however, is due to the irregular electromagnetic forces that form waves in the aluminum melting bath, and furthermore that the anode-cathode distance (ACD), also called the interelectrode gap (IEG), must be kept at a safe minimum value of approx. 50 mm to avoid a short circuit between the aluminum cathode and the anode, or reoxidation of the metal by contact with CO2 gas formed at the anode surface, which leads to a lower current yield.

Den høye elektriske motstand i elektrolytten, ca. 0,4 ohm.cm, gir et spenningsfall som alene representerer mer enn 40 % av det totale spenningsfall, med et resulterende høyt energiforbruk som er nær ved 13 kW/kgAl i de mest moderne celler. Kostnaden av energiforbruket har blitt enda viktigere for den totale fremstillingskostnad for aluminium etter oljekrisen, og har lagt en demper på The high electrical resistance in the electrolyte, approx. 0.4 ohm.cm, gives a voltage drop that alone represents more than 40% of the total voltage drop, with a resulting high energy consumption close to 13 kW/kgAl in the most modern cells. The cost of energy consumption has become even more important to the total manufacturing cost of aluminum after the oil crisis, and has put a damper on

(produksjons)veksten for dette viktige metall. (production) growth for this important metal.

I den nest største elektrokjemiske industri etter aluminium, kaustikum- og klorindustrien, førte oppfinnelsen av dimensjonsstabile anoder (DSA<®>) basert på edelmetallaktivert titanmetall, som ble utviklet rundt 1970, til muligheten for en revolusjonerende fremgang i klorcelleteknologien, hvilket resulterte i en betydelig økning av cellens energivirkningsgrad, cellens levetid og i renheten av klor-kaustikum. Erstatningen av grafittanoder med DSA® økte levetiden av anodene drastisk og ga en betydelig reduksjon i kostnaden for drift av cellene. Hurtig vekst av klor-kaustikum-industrien ble holdt tilbake kun av økologiske hensyn. In the second largest electrochemical industry after aluminum, caustic and chlorine industries, the invention of dimensionally stable anodes (DSA<®>) based on noble metal activated titanium metal, which was developed around 1970, led to the possibility of a revolutionary advance in chlorine cell technology, resulting in a significant increase in the cell's energy efficiency, the cell's lifespan and the purity of chlorine-caustic. The replacement of graphite anodes with DSA® increased the lifetime of the anodes drastically and provided a significant reduction in the cost of operating the cells. Rapid growth of the chlorine-caustic industry was held back only by ecological considerations.

I tilfellet med aluminiumproduksjon er forurensningen ikke på grunn av det produserte aluminium, men på grunn av materialene og fremstillingsprosessene som blir benyttet og celleutformingen og driften. In the case of aluminum production, the pollution is not due to the aluminum produced, but due to the materials and manufacturing processes used and the cell design and operation.

Det er imidlertid blitt rapportert om fremgang for driften av moderne aluminiumproduksjonsanlegg hvor det gjøres bruk av celler hvor gassene som utvikles fra cellene i stor grad oppsamles og blir gassrenset på hensiktsmessig måte, og hvor utslippene av de sterkt forurensende gasser under fremstillingen av karbonanodene og -katodene blir nøye kontrollert. However, progress has been reported for the operation of modern aluminum production plants where use is made of cells where the gases evolved from the cells are largely collected and gas cleaned in an appropriate manner, and where the emissions of the highly polluting gases during the manufacture of the carbon anodes and cathodes is carefully controlled.

Mens det er blitt rapportert om fremgang ved bruk av karbonkatoder som er blitt påført belegg eller lag av nye aluminiumfuktbare materialer som også er en barriere mot natriuminntrengning under elektrolyse, er liten fremgang blitt oppnådd for utforming av katoder for aluminiumproduksjonsceller med hensyn til å forbedre den totale cellevirkningsgrad, forenkle sammenstillingen av katodene i cellen, forenkle fjerning og utskiftning av brukte katoder, så vel som å begrense bevegelse av smeltet aluminium for å redusere interelektrodegapet og raten for slitasje av elektrodeoverflaten. While progress has been reported using carbon cathodes that have been coated or layered with novel aluminum wettable materials that also act as a barrier to sodium ingress during electrolysis, little progress has been made in designing cathodes for aluminum production cells to improve the overall cell efficiency, simplifying the assembly of the cathodes in the cell, simplifying the removal and replacement of used cathodes, as well as limiting the movement of molten aluminum to reduce the interelectrode gap and the rate of wear of the electrode surface.

I patentpublikasjon US 3202600 (Ransley) foreslås bruk av ildfaste borider og -karbider som katodematerialer, innbefattende en drenert katodecelleutforming hvor en kileformet forbrukbar karbonanode opphenges vendende mot en katode fremstilt av plater av ildfast borid eller karbid i V-konfigurasjon. In patent publication US 3202600 (Ransley) the use of refractory borides and carbides as cathode materials is proposed, including a drained cathode cell design where a wedge-shaped consumable carbon anode is suspended facing a cathode made of sheets of refractory boride or carbide in a V configuration.

I patentpublikasjonene US 3400061 (Lewis et al) og -4602990 (Boxall et al) beskrives aluminiumelektrolyseceller med hellende drenerte katoder anordnet med katodene og tilstøtende anodeoverfiater hellende på tvers av cellen. I disse celler strømmer det smeltede aluminium ned de hellende katoder inn i et mellomliggende langsgående spor langs senteret av cellen, eller inn i tverrgående langsgående spor langs cellesidene, for oppsamling av det smeltede aluminium og avlevering derav til en samlepanne. Patent publications US 3,400,061 (Lewis et al) and -4,602,990 (Boxall et al) describe aluminum electrolytic cells with inclined drained cathodes arranged with the cathodes and adjacent anode surfaces inclined across the cell. In these cells, the molten aluminum flows down the inclined cathodes into an intermediate longitudinal groove along the center of the cell, or into transverse longitudinal grooves along the cell sides, for collection of the molten aluminum and delivery thereof to a sump.

US 4544457 (Sane et al) foreslås et drenert katodearrangement hvor overflaten på en karbonkatodeblokk dekkes med et lag som opprettholder aluminium stagnant på overflaten for å redusere slitasje. Ved denne utforming står katodeblokken på cellebunnen. US 4544457 (Sane et al) proposes a drained cathode arrangement where the surface of a carbon cathode block is covered with a layer which maintains aluminum stagnant on the surface to reduce wear. With this design, the cathode block is on the bottom of the cell.

I patentpublikasjon US 5203971 (de Nora et al) beskrives en aluminiumelektrolysecelle med en delvis ildfast og delvis karbonbasert celleforing. Den karbonbaserte del av cellebunnen kan være forsenket med hensyn til den ildfaste del, hvilket bidrar til å redusere bevegelsen av aluminiumbadet. In patent publication US 5203971 (de Nora et al) an aluminum electrolysis cell is described with a partly refractory and partly carbon-based cell lining. The carbon-based part of the cell base can be recessed with respect to the refractory part, which helps to reduce the movement of the aluminum bath.

En forbedring beskrevet i patentpublikasjon US 5472578 (de Nora) består i bruk av nettverklignende legemer som kan danne en drenert katodeoverflate og samtidig hindre bevegelse i aluminiumbadet. An improvement described in patent publication US 5472578 (de Nora) consists in the use of network-like bodies which can form a drained cathode surface and at the same time prevent movement in the aluminum bath.

I patentpublikasjonene US 5316718 og WO 93/25731 (begge ved Sekhar et al) foreslås belagte komponenter med et slurrypåført belegg av ildfast borid som har vist seg å være utmerket brukt på katoder. Publikasjonene innbefatter et antall nye drenerte katodekonfigurasjoner, for eksempel ved utforminger hvor et katodelegeme med en hellende øvre drenert katodeoverflate plasseres på eller sikres på cellebunnen. Patent publications US 5316718 and WO 93/25731 (both by Sekhar et al) propose coated components with a slurry applied coating of refractory boride which has been shown to be excellent used on cathodes. The publications include a number of new drained cathode configurations, for example in designs where a cathode body with a sloping upper drained cathode surface is placed on or secured to the cell bottom.

I patentpublikasjon US 5362366 (de Nora et al) beskrives et topolet anode-katodearrangement hvor katodelegemene ble hengt opp i anodene, hvilket tillot fjerning og gjeninnsetting av sammenstillingen under drift, hvorved en slik sammenstilling også ble operert med en drenert katode. In patent publication US 5362366 (de Nora et al) a two-pole anode-cathode arrangement is described where the cathode bodies were suspended in the anodes, which allowed removal and reinsertion of the assembly during operation, whereby such an assembly was also operated with a drained cathode.

I patentpublikasjon US 5368702 (de Nora) foreslås en ny multi-énpolcelle med oppadragende katoder som vender mot og omgir eller går inn mellom anodene med en relativt stor innadvendende aktiv anodeoverflate. I noen utførelsesformer oppnås elektrolyttsirkulasjon ved bruk av en rørformet anode med hensiktsmessige åpninger. In patent publication US 5368702 (de Nora), a new multi-unipolar cell is proposed with upward-moving cathodes facing and surrounding or entering between the anodes with a relatively large inward-facing active anode surface. In some embodiments, electrolyte circulation is achieved using a tubular anode with appropriate apertures.

I patentpublikasjon WO 96/07773 (de Nora) foreslås en ny katodeutforming for en drenert katode, hvor fordypningene eller forsenkningene innbefattes i overflaten på blokkene som danner katodeoverflaten for å kanalisere det drenerte aluminiumprodukt. In patent publication WO 96/07773 (de Nora) a new cathode design is proposed for a drained cathode, where the recesses or recesses are included in the surface of the blocks forming the cathode surface to channel the drained aluminum product.

Det kan oppsummeres at etter at kommersiell produksjon av aluminium startet opp har cellene fått egenskaper som har muliggjort en økning av totalproduksjonen og en reduksjon av kostnaden. It can be summarized that after the commercial production of aluminum started, the cells have acquired properties that have enabled an increase in total production and a reduction in cost.

Aluminium er til stede i elektrolytten som en suspensjon av små partikler, løselig i små mengder, og reagerer med anodegassen som inneholder i hovedsak CO2 dannet ved reaksjonen av oksygen med karbon. Dette understøttes ved at boblene av CO2 som dannes på anoden unnslipper med vanskelighet fra undersiden av anoden og gjennom elektrolytten, før gassen oppsamles og renses for å gjenvinne fluorider og eliminere annen farlig forurensning. Aluminum is present in the electrolyte as a suspension of small particles, soluble in small amounts, and reacts with the anode gas containing mainly CO2 formed by the reaction of oxygen with carbon. This is supported by the fact that the bubbles of CO2 that form on the anode escape with difficulty from the underside of the anode and through the electrolyte, before the gas is collected and purified to recover fluorides and eliminate other dangerous contamination.

Reaksjonen mellom aluminium og C02 gir en betydelig reduksjon av strømutbyttet for prosessen, og understøttes av bevegelsen av elektrolytten på grunn av den periodiske frigivelse av store bobler som blir dannet, og ved bevegelse av aluminiumbadet som opprettholdes på toppen av karbonkatoden for å beskytte katoden mot kjemisk korrosjon ved dannelse av aluminiumkarbid. Slik bevegelse av aluminiumbadet, hvilket skyldes de elektromagnetiske krefter som blir kraftige når strømfordelingen er ujevn, fører i tillegg til erosjon av katodeoverflaten. The reaction between aluminum and CO2 provides a significant reduction in the current yield of the process, and is supported by the movement of the electrolyte due to the periodic release of large bubbles that are formed, and by the movement of the aluminum bath maintained on top of the carbon cathode to protect the cathode from chemical corrosion by formation of aluminum carbide. Such movement of the aluminum bath, which is due to the electromagnetic forces that become strong when the current distribution is uneven, also leads to erosion of the cathode surface.

Forsøk er blitt gjort på å forbedre situasjonen, slik som å senke størrelsen av den aktive overflate for hver anode - se den ovennevnte patentpublikasjon US 5368702 (de Nora) - for å oppnå en jevnere strømfordeling. Attempts have been made to improve the situation, such as lowering the size of the active surface for each anode - see the above-mentioned patent publication US 5368702 (de Nora) - to achieve a more uniform current distribution.

Det ville selvsagt kunne oppnås en forbedring dersom den aktive overflate på katoden og anoden kunne være med en helning for å lette frigivelsen av boblene av frigjort gass. Å ha en katode med en helning og å oppnå effektiv drift av cellen vil kun være mulig dersom overflaten på katoden er aluminiumfuktbar slik at produksjonen av aluminiumioner vil finne sted på en film av aluminium. Så langt har forsøkene på å oppnå dette feilet. An improvement could of course be achieved if the active surface of the cathode and anode could be sloped to facilitate the release of the bubbles of liberated gas. Having a cathode with a slope and achieving efficient operation of the cell will only be possible if the surface of the cathode is aluminum wettable so that the production of aluminum ions will take place on a film of aluminium. So far, attempts to achieve this have failed.

Det er først i den senere tid blitt mulig å belegge karbonkatoder med en slurry som hefter seg til karbonet og blir aluminiumfuktbar og meget hard når temperaturen når 700-800 °C eller endog 950-1000 °C, som beskrevet i de ovennevnte publikasjoner US 5316718 og WO 93/25731 (begge ved Sekhar et al). Selv om påføring av disse belegg på drenerte katodeceller er blitt foreslått, har anvendelsen i kommersiell skala av denne teknologi blitt begrenset til belegging av karbonbunner på celler operert med det konvensjonelle dype smeltebad av aluminium. Ytterligere designmodifikasjoner av cellekonstruksjonen vil kunne lede til at det oppnås flere av de potensielle fordeler med disse belegg. It has only recently become possible to coat carbon cathodes with a slurry that adheres to the carbon and becomes aluminum wettable and very hard when the temperature reaches 700-800 °C or even 950-1000 °C, as described in the above-mentioned publications US 5316718 and WO 93/25731 (both by Sekhar et al). Although the application of these coatings to drained cathode cells has been proposed, the commercial scale application of this technology has been limited to the coating of carbon bottoms on cells operated with the conventional aluminum deep melt bath. Further design modifications of the cell construction could lead to more of the potential advantages of these coatings being achieved.

Mens de ovennevnte henvisninger indikerer de pågående bestrebelser for å' forbedre driften av celler med smeltet elektrolytt, finnes ingen forslag henimot den foreliggende oppfinnelse, og det har ikke vært noen akseptable forslag til å forbedre virkningsgraden av cellen og samtidig lette implementeringen av en drenert katodekonfigurasjon. While the above references indicate ongoing efforts to improve the operation of molten electrolyte cells, there are no proposals directed toward the present invention, and there have been no acceptable proposals to improve the efficiency of the cell while facilitating the implementation of a drained cathode configuration.

Formålet med oppfinnelsen Purpose of the invention

Ett mål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en drenert katodecelle for produksjon av aluminium, med egenskaper som gjør cellen effektiv med hensyn til strømutbyttet men også med hensyn til redusert energiforbruk. One aim of the present invention is to provide a drained cathode cell for the production of aluminium, with properties which make the cell efficient with regard to the current yield but also with regard to reduced energy consumption.

Et annet mål med oppfinnelsen er å overvinne de iboende problemer med kjente utforminger av drenerte katodeceller benyttet ved elektrolytisk utvinning av aluminium, hvorved elektrolyttsirkulasjon induseres ved de anodisk frigjorte gasser, med tilførsel av en aluminarik smelte i den nedre del av anode-katodegapet. Another aim of the invention is to overcome the inherent problems with known designs of drained cathode cells used in electrolytic extraction of aluminium, whereby electrolyte circulation is induced by the anodic liberated gases, with the supply of an aluminous melt in the lower part of the anode-cathode gap.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en drenert katodecelle hvor aluminiumproduktet bedre kan fjernes og oppsamles. A further aim of the invention is to provide a drained cathode cell where the aluminum product can be better removed and collected.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å bedre sirkulasjonen av elektrolytt i en drenert katodecelle ved bruk av oksygenutviklende ikke-karbon anoder utformet for å understøtte frigivelse av den anodisk produserte gass samtidig som sirkulasjonen av elektrolytten fremmes. A further aim of the invention is to improve the circulation of electrolyte in a drained cathode cell by the use of oxygen-evolving non-carbon anodes designed to support the release of the anodically produced gas while promoting the circulation of the electrolyte.

Enda et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en drenert katodecelle hvor cellesidevggene også virker som en aktiv katode, hvorved cellen kan opereres ved lave strømtettheter. Another aim of the invention is to provide a drained cathode cell where the cell side walls also act as an active cathode, whereby the cell can be operated at low current densities.

Enda et mål med oppfinnelsen er å implementere en drenert katodecelleutforming som kan opereres uten dannelse av en saltskorpe av størknet elektrolytt, muligens ved drift ved høye strømtettheter fra 1 til 2 Amp/cm<2>. Yet another object of the invention is to implement a drained cathode cell design which can be operated without the formation of a salt crust of solidified electrolyte, possibly when operating at high current densities from 1 to 2 Amp/cm<2>.

Enda et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med drenert katodekonifgurasjon med konsumerbare ikke-karbon anoder med former som tillater hurtig frigivelse av bobler mens de ennå er små. Yet another object of the invention is to provide a cell with a drained cathode configuration with consumable non-carbon anodes of shapes that allow rapid release of bubbles while they are still small.

Enda et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en celle med drenert katodekonfigurasjon hvor en liten inter-elektrodeavstand på flere centimeter (vanligvis 3 cm eller mindre) kan opprettholdes mens kontakten reduseres mellom det produserte aluminium og de anodisk frigjorte gasser, ved at det unngås et dypt bad av aluminium med bølger og ved å lette frigivelsen av bobler av anodisk produsert gass. Yet another object of the invention is to provide a cell with a drained cathode configuration where a small inter-electrode distance of several centimeters (typically 3 cm or less) can be maintained while reducing the contact between the produced aluminum and the anodically liberated gases, by avoiding a deep bath of aluminum with waves and by facilitating the release of bubbles of anodically produced gas.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Celle med drenert katode for produksjon av aluminium ved elektrolyse av en aluminiumforbindelse oppløst i en smeltet elektrolytt, idet cellen omfatter minst én oksygenutviklende ikke-karbonanode som vender mot minst én katode, hvor den ene eller hver katode har én eller flere dimensjonsstabile hellende aluminiumfuktbare katodeoverflater, og cellen er særpreget ved at den ene eller hver anode har mange aktive anodeoverflater parallelt med katodeoverflatene, hvor anode- og katodeoverflatene er anordnet fra hverandre med et anode-katodegap og konfigurert for å indusere en oppad frigivelse av anodegassen og en oppad sirkulasjon av elektrolytten med en nedad drenering av det produserte aluminium, hvor den ene eller hver anode omfatter en sammenstilling av plater, parallelle staver eller lister lagt med mellomrom imellom og med et tverrsnitt og mellomrom for å lette gassfrigivelse, og opphengt med minst én strømfordelingsskinne på tvers, hvor de mange anodeoverflater dannes av overflatene på platene, stavene eller listene. Cell with drained cathode for the production of aluminum by electrolysis of an aluminum compound dissolved in a molten electrolyte, the cell comprising at least one oxygen-evolving non-carbon anode facing at least one cathode, the one or each cathode having one or more dimensionally stable inclined aluminum wettable cathode surfaces, and the cell is characterized in that one or each anode has many active anode surfaces parallel to the cathode surfaces, the anode and cathode surfaces being spaced apart by an anode-cathode gap and configured to induce an upward release of the anode gas and an upward circulation of the electrolyte with a downward drainage of the aluminum produced, where one or each anode comprises an assembly of plates, parallel rods or strips laid with spaces between them and with a cross-section and space to facilitate gas release, and suspended by at least one current distribution rail across, where they many anode surfaces are formed by the surfaces of the plates, rods or strips.

Den drenerte celle ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ytterligere ved det faktum at den gjør bruk av ett eller flere av de etterfølgende trekk. The drained cell according to the invention is further characterized by the fact that it makes use of one or more of the following features.

1) En aluminarik smelte tilføres ved den nedre del av anode-katodegapet. 1) An alumina-rich melt is supplied at the lower part of the anode-cathode gap.

2) Anode-katodegapet mellom den hellende anode og katodeoverflatene er opp til 3 cm, hensiktsmessig ca. 2 cm. 3) Hele cellebunnen eller en del derav foreligger med en helning slik at aluminiumet lettere kan fjernes og oppsamles. Helningen er fortrinnsvis slik at den er tilstrekkelig til å sikre en effektiv frigivelse av boblene av den anodisk frigitte gass før disse bobler blir for store, hvorved det unngås eller i betydelig grad unngås reaksjon med partiklene av aluminium. 4) Cellebunnen er anordnet med helning uten at senteret i cellen flyttes (dvs. at én ende er hevet mens den andre ende er senket). 5) Tappingen av aluminium foretas fra et lager plassert på innsiden eller utsiden av cellene, ved en ende av cellen eller på siden, eller i midten. 6) Den aktive katodeoverflate er gjort dimensjonsstabil ved et slurrypåført belegg av et aluminiumfuktbart ildfast materiale som kontrollerer natriuminntrengningen. 7) Den aktive katodeoverflate så vel som den resterende bunn av cellen beskyttes av et aluminiumfuktbart titandiboridbelegg, eller titandiboridplater, eller en fiberduk eller et porøst skall fylt med en titandiboridslurry. 8) Cellens sidevegger virker også som en aktiv katode og beskyttes av et aluminiumfuktbart titandiboridbelegg, eller titandiboridplater eller en fiberduk eller et porøst skall fylt med en titandiboridslurry, hvorpå aluminium også dannes. 9) Hele sideoverflaten inne i cellen, uaktet om den er i kontakt med aluminium eller kryolitt eller anodisk dannede gasser, fores med et aluminisert titandiboridbelegg eller titandiboridplater eller en karbonfiberduk eller foraminøst kobber fylt med en titandiboridslurry. 10) Hovedoverflaten på den aktive katode har en helning. Denne helning er for eksempel fra 5° til 60° mot horisontalen, fortrinnsvis fra 5° til 45°. 11) Katodehelningen oppnås ved bruk av tverrsnittet av katodeblokkene, slik det er beskrevet i patentpublikasjon WO96/07773 (de Nora). 12) Katodehelningen oppnås ved å tilveiebringe et kileformet element ("kile"), som er massivt eller er fremstilt av vertikale plater med mellomrom imellom, på en flat katodebunn, hvor kilen fremstilles av karbon eller av "tyngre" materialer, dvs. med en spesifikk tetthet større enn smeltet aluminium og kryolitt, eller innbefatter intern ballast, hvor kilen også belegges med et aluminiumfuktbart titandiboridbelegg, se for eksempel US 5472578 (de Nora). 13) Katoden fremstilles av et massivt legeme av titandiboridbasert materiale fremstilt ved konsolidering av preformet titandiborid, for eksempel som beskrevet i patentpublikasjon WO97/08114 (Sekhar et al) eller ved mikropyretisk reaksjon for eksempel som beskrevet i patentpublikasjonene US 5217583 og -5316718 (begge ved Sekhar et al), eventuelt belagt med et aluminiumfuktbart titandiboridbelegg, for eksempel som beskrevet i patentpublikasjon US 5534119 (Sekhar et al), eller belagt med titandiboridplater eller en fiberduk eller et porøst skall fylt med en titandiboridslurry. 2) The anode-cathode gap between the inclined anode and the cathode surfaces is up to 3 cm, suitably approx. 2 cm. 3) The entire cell base or part of it is provided with a slope so that the aluminum can be more easily removed and collected. The slope is preferably such that it is sufficient to ensure an efficient release of the bubbles of the anodically released gas before these bubbles become too large, whereby reaction with the particles of aluminum is avoided or to a significant extent avoided. 4) The cell base is arranged with a slope without the center of the cell being moved (ie one end is raised while the other end is lowered). 5) The tapping of aluminum is done from a warehouse located on the inside or outside of the cells, at one end of the cell or on the side, or in the middle. 6) The active cathode surface is made dimensionally stable by a slurry-applied coating of an aluminium-wettable refractory material which controls sodium penetration. 7) The active cathode surface as well as the remaining bottom of the cell is protected by an aluminum wettable titanium diboride coating, or titanium diboride plates, or a fiber cloth or a porous shell filled with a titanium diboride slurry. 8) The side walls of the cell also act as an active cathode and are protected by an aluminum wettable titanium diboride coating, or titanium diboride plates or a fiber cloth or a porous shell filled with a titanium diboride slurry, on which aluminum is also formed. 9) The entire side surface inside the cell, regardless of whether it is in contact with aluminum or cryolite or anodic generated gases, is lined with an aluminized titanium diboride coating or titanium diboride plates or a carbon fiber cloth or foraminous copper filled with a titanium diboride slurry. 10) The main surface of the active cathode has a slope. This inclination is, for example, from 5° to 60° to the horizontal, preferably from 5° to 45°. 11) The cathode slope is achieved using the cross-section of the cathode blocks, as described in patent publication WO96/07773 (de Nora). 12) The cathode slope is achieved by providing a wedge-shaped element ("wedge"), which is solid or is made of vertical plates with spaces between them, on a flat cathode base, where the wedge is made of carbon or of "heavier" materials, i.e. with a specific density greater than molten aluminum and cryolite, or includes internal ballast, where the wedge is also coated with an aluminum wettable titanium diboride coating, see for example US 5472578 (de Nora). 13) The cathode is produced from a massive body of titanium diboride-based material produced by consolidation of preformed titanium diboride, for example as described in patent publication WO97/08114 (Sekhar et al) or by micropyretic reaction for example as described in patent publications US 5217583 and -5316718 (both by Sekhar et al), optionally coated with an aluminium-wettable titanium diboride coating, for example as described in patent publication US 5534119 (Sekhar et al), or coated with titanium diboride plates or a fiber cloth or a porous shell filled with a titanium diboride slurry.

14) Anoden er en oksygenutviklende ikke-karbon anode. 14) The anode is an oxygen-evolving non-carbon anode.

15) Den oksygenutviklende ikke-karbon anode omfatter en sammenstilling av plater, staver, avlange elementer slik som lister, med et tverrsnitt og med mellomrom for å fremme gassfrigivelse, for eksempel staver i såkalt "spaghetti"-konfigurasjon. 16) Den oksygenutviklende ikke-karbon anode er en tovegget struktur med ljorer eller andre åpninger i overflaten for å lede den anodisk produserte gass i anodestrukturen. 17) Anoden har et tverrsnitt for å fremme frigivelse av den anodisk produserte gass og sirkulasjon av elektrolytten. 18) Den konvensjonelle kile av rammepasta plassert mellom bunnen av sideveggene og kantene på cellebunnen elimineres. Dette tillater at anodene er nær sideveggen og at sideveggen kan opereres som en katode, dvs. at den vender mot en vertikal del av anodene. (Se punkt 5). Cellen kan derved opereres med lav strømtetthet. 19) Med katoder i hellende kilekonfigurasjon tilføres alumina til det laveste punkt i kilen. Dette letter sirkulasjon av elektrolytten anriket med oppløst alumina. 20) Cellesideveggen er utrustet med tilstrekkelig indre og/eller ytre isolasjon til at cellen kan opereres uten dannelsen av en saltskorpe av størknet elektrolytt. 15) The oxygen-evolving non-carbon anode comprises an assembly of plates, rods, elongated elements such as strips, with a cross-section and with spaces to promote gas release, for example rods in a so-called "spaghetti" configuration. 16) The oxygen-evolving non-carbon anode is a double-walled structure with grooves or other openings in the surface to guide the anodically produced gas into the anode structure. 17) The anode has a cross-section to promote release of the anodically produced gas and circulation of the electrolyte. 18) The conventional wedge of frame paste placed between the bottom of the side walls and the edges of the cell base is eliminated. This allows the anodes to be close to the side wall and for the side wall to be operated as a cathode, i.e. facing a vertical part of the anodes. (See point 5). The cell can thereby be operated with a low current density. 19) With cathodes in inclined wedge configuration, alumina is supplied to the lowest point of the wedge. This facilitates circulation of the electrolyte enriched with dissolved alumina. 20) The cell side wall is equipped with sufficient internal and/or external insulation so that the cell can be operated without the formation of a salt crust of solidified electrolyte.

21) Cellen opereres ved en høy strømtetthet, fra 0,5 til 2 A/cm . 21) The cell is operated at a high current density, from 0.5 to 2 A/cm.

22) Et aluminiumfuktbart belegg påføres på komponentene i cellen som en slurry inneholdende et "aktivt" pulver av aluminiumfuktbart materiale (slik som titandiborid), hvor fibre tilføres til slurryen: a) fibrene fremstilles av elektrisk ledende og elektrisk ikke-ledende materialer slik som karbonmaterialer, metaller, karbider, nitrider, borider, alumina 22) An aluminum wettable coating is applied to the components of the cell as a slurry containing an "active" powder of aluminum wettable material (such as titanium diboride), where fibers are added to the slurry: a) the fibers are made of electrically conductive and electrically non-conductive materials such as carbon materials , metals, carbides, nitrides, borides, alumina

etc. etc.

b) det aktive aluminiumfuktbare pulver er titandiborid og lignende materialer, preformet eller formet in situ. b) the active aluminum wettable powder is titanium diboride and similar materials, preformed or formed in situ.

c) fibrene danner en vevet eller en ikke-vevet duk. c) the fibers form a woven or non-woven fabric.

Ytterligere trekk med oppfinnelsen fremsettes i kravene. Further features of the invention are presented in the claims.

Med oppfinnelsen tilveiebringes også en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium, slik det fremgår av krav 26. The invention also provides a method for the production of aluminium, as is evident from claim 26.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere med henvisning til de tilhørende skjematiske tegninger, hvor: Fig. 1 er et tverrsnitt gjennom en del av en drenert katodealuminiumproduksjonscelle i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2 er et oversiktsriss av anoden i cellen ifølge Fig. 1; Fig. 3 er et riss fra siden av en del av anoden ifølge Fig. 2; Fig. 3A er et snitt langs linjen 3A-3A på Fig. 3; Fig. 4 er et snitt gjennom en del av den drenerte The invention will be described in more detail with reference to the associated schematic drawings, where: Fig. 1 is a cross section through part of a drained cathode aluminum production cell according to the invention; Fig. 2 is an overview of the anode in the cell according to Fig. 1; Fig. 3 is a side view of part of the anode according to Fig. 2; Fig. 3A is a section along the line 3A-3A of Fig. 3; Fig. 4 is a section through part of the drained

katodealuminiumproduksjonscelle ifølge Fig. 1. cathode aluminum production cell according to Fig. 1.

Fig. 5 er et snitt gjennom en del av en annen drenert Fig. 5 is a section through part of another drained

katodealuminiumproduksjonscelle ifølge oppfinnelsen. cathode aluminum production cell according to the invention.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Fig. 1 viser en del av en drenert katodealuminiumproduksjonscelle omfattende mange oksygenutviklende ikke-karbon anoder 10 opphengt over en katode 30 omfattende en katodemasse 32 med hellende katodeoverflater 35 og belagt med et aluminiumfuktbart belegg 37, for eksempel et slurrypåført titandiboridbelegg ifølge patent US 5316718 (Sekhar et al). Fig. 1 shows part of a drained cathode aluminum production cell comprising many oxygen-evolving non-carbon anodes 10 suspended above a cathode 30 comprising a cathode mass 32 with inclined cathode surfaces 35 and coated with an aluminum wettable coating 37, for example a slurry applied titanium diboride coating according to patent US 5316718 (Sekhar et al).

Katodemassen 32 er fordelaktig et komposittmateriale av alumina-aluminium-titandiborid, 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 termiske forskjeller under celleoppstart og -drift, samtidig som god konduktivitet opprettholdes slik det er nødvendig for effektiv funksjon som katodemasse. The cathode mass 32 is advantageously a composite material of alumina-aluminium-titanium diboride, for example produced by micropyretic reaction of TiO 2 , B 2 O 3 and Al. Such composite materials have a certain plasticity at the cell's operating temperature and have the advantage that they can absorb the effects of thermal differences during cell start-up and operation, while maintaining good conductivity as required for effective function as cathode mass.

Katodemassen 32 kan alternativt fremstilles av karbonmateriale, for eksempel pakket karbonpulver, grafittisert karbon eller stablede plater eller blokker av karbon lagt overlappende og adskilt med lag av et materiale som er ugjennomtrengelig og uinntrengelig for smeltet aluminium. Når katoden fremstilles av karbon kan katodehelningen oppnås ved bruk av tverrsnittene av de sammenstilte katodeblokker, hvor den hellende øvre overflate på de sammenstilte katodeblokker danner den aktive katodeoverflate, slik det er beskrevet nærmere i den internasjonale patentsøknad WO 96/07773 (de Nora). The cathode mass 32 may alternatively be made of carbon material, for example packed carbon powder, graphitized carbon or stacked sheets or blocks of carbon laid overlapping and separated by layers of a material which is impermeable and impermeable to molten aluminium. When the cathode is made of carbon, the cathode slope can be achieved by using the cross-sections of the assembled cathode blocks, where the sloping upper surface of the assembled cathode blocks forms the active cathode surface, as described in more detail in the international patent application WO 96/07773 (de Nora).

Katodemassen 32 blir fordelaktig båret på et metallisk katodeholderskall eller -plate 31 (se Fig. 4) som beskrevet i søkerens internasjonale patentsøknads-publikasjonWO98/53120, hvortil strøm påføres ved én eller flere strømsamleskinner som strekker seg gjennom den elektriske og termiske isolasjon i cellebunnen, eller gjennom sidene av cellen. The cathode mass 32 is advantageously supported on a metallic cathode holder shell or plate 31 (see Fig. 4) as described in the applicant's international patent application publication WO98/53120, to which current is applied by one or more current busbars extending through the electrical and thermal insulation in the cell bottom, or through the sides of the cell.

Som vist anordnes de hellende aktive katodeoverflater 35 i en rekke med parallelle rader med omtrentlig triangulært tverrsnitt, og de strekker seg på langs (eller på tvers) av cellen. Disse overflater 35 heller i 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 dannelse av en suspensjon av aluminiumpartikler i elektrolytten 54. As shown, the inclined active cathode surfaces 35 are arranged in a series of parallel rows of approximately triangular cross-section, and they extend along (or across) the cell. These surfaces 35 rather at an angle of, for example, 30° to 60° to the horizontal, for example approx. 45°. The slope is such that the produced aluminum is effectively drained, whereby the formation of a suspension of aluminum particles in the electrolyte 54 is avoided.

Mellom de motstående hellende overflater 35 er det et trau 38 hvortil aluminium kan dreneres fra overflatene 35. Det er hensiktsmessig om hele aluminiumproduksjonscellen har en langsgående helning, slik at aluminiumet oppsamlet i trauene 38 kan dreneres til én ende av cellen hvor det kan samles i et lager på innsiden eller på utsiden av cellen. Between the opposite inclined surfaces 35 there is a trough 38 into which aluminum can be drained from the surfaces 35. It is appropriate if the entire aluminum production cell has a longitudinal slope, so that the aluminum collected in the troughs 38 can be drained to one end of the cell where it can be collected in a storage on the inside or outside of the cell.

Anodene 10 er opphengt over katodene 30 med en rekke aktive hellende anodeoverflater eller plater 16 vendende mot korresponderende hellende katodeoverflater 35, hvorved det etterlates et smalt anode-katodemellomrom som kan være mindre enn 3 cm, for eksempel ca. 2 cm. De aktive deler av anodene dannes av platene 16 som 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). Som vist på Fig. 1 er platene 16 anordnet i tilstøtende par som danner en taklignende konfigurasjon. The anodes 10 are suspended above the cathodes 30 with a series of active inclined anode surfaces or plates 16 facing corresponding inclined cathode surfaces 35, leaving a narrow anode-cathode gap which may be less than 3 cm, for example approx. 2 cm. The active parts of the anodes are formed by the plates 16 which are, for example, made of nickel-iron-aluminium or nickel-iron-aluminium copper with an oxide surface as described in patent publication US 5510008 (de Nora et al). As shown in Fig. 1, the plates 16 are arranged in adjacent pairs forming a roof-like configuration.

De hellende indre aktive flater på anodeplatene 16 er til hjelp for fjerning av de anodisk utviklede gasser, i hovedsak oksygen. Den valgte helning - som er den samme som for katodeoverflatene 35, for eksempel ca. 45° - er slik at boblene av anodisk frigitte gasser effektivt fjernes fra den aktive anodeo ver flate før boblene blir for store. Risikoen for at gassboblene interagerer med eventuelle partikler av aluminium i elektrolytten 54 reduseres eller elimineres derved. The sloping internal active surfaces on the anode plates 16 help to remove the anodically developed gases, mainly oxygen. The selected slope - which is the same as for the cathode surfaces 35, for example approx. 45° - is such that the bubbles of anodically released gases are effectively removed from the active anode surface before the bubbles become too large. The risk of the gas bubbles interacting with any particles of aluminum in the electrolyte 54 is thereby reduced or eliminated.

Hver anode 10 omfatter en sammenstilling av metallelementer som tilveiebringer en jevn fordeling av elektrisk strøm til de aktive anodeplater 16. Til dette formål er de aktive anodeplater 16 opphengt fra tverrgående plater 18 festet under en sentral langsgående plate 19, med hvilken anoden er opphengt fra en vertikal strøminnførings- og opphengningsstang 14, for eksempel med firkantet tverrsnitt. Each anode 10 comprises an assembly of metal elements which provide an even distribution of electric current to the active anode plates 16. To this end, the active anode plates 16 are suspended from transverse plates 18 fixed below a central longitudinal plate 19, with which the anode is suspended from a vertical current introduction and suspension rod 14, for example with a square cross-section.

Hver anode 10 består for eksempel av fire par med aktive anodeplater 16 holdt fra hverandre og parallelle med hverandre og symmetrisk anordnet rundt den strøminnførende stav 14. Som vist på Fig. 1 er hver aktive anodeplate 16 bøyd mer eller mindre rundt senteraksen med ca. 45°, hvor de motsatte plater 16 for hvert par er plassert fra hverandre med deres nedre bøyde ender stikkende utover, slik at de passer over de tilsvarende hellende katodeoverflater 35. Each anode 10 consists, for example, of four pairs of active anode plates 16 held apart and parallel to each other and symmetrically arranged around the current-introducing rod 14. As shown in Fig. 1, each active anode plate 16 is bent more or less around the central axis by approx. 45°, the opposing plates 16 of each pair being spaced apart with their lower bent ends projecting outwards, so as to fit over the corresponding inclined cathode surfaces 35.

Slik det ses på oversiktstegningen på Fig. 2 er par av tverrgående plater 18 som hver bærer to par av de aktive anodeplater 16 symmetrisk anordnet rundt den strøminnledende stav 14 slik at det totale antall aktive anodeplater 16 er jevnt fordelt rundt aksen av den strøminnførende stav 14. På hver side av den strøminnførende stav 14 er det side-ved-side anordnede par av aktive anodeplater 16 båret av to tverrgående plater 18 anordnet fra hverandre i lengderetning langs platene 16/19. As can be seen in the overview drawing in Fig. 2, pairs of transverse plates 18 each carrying two pairs of the active anode plates 16 are symmetrically arranged around the current-introducing rod 14 so that the total number of active anode plates 16 is evenly distributed around the axis of the current-introducing rod 14 On each side of the current-introducing rod 14 is the side-by-side arranged pair of active anode plates 16 supported by two transverse plates 18 arranged longitudinally apart from each other along the plates 16/19.

I de øvre vertikale deler har de aktive anodeplater 16 en rekke åpninger 17 tilstrekkelig høyt til at nivået av elektrolyttsmelten 54 skjærer åpningene 17 omtrent på midten (som vist på Fig. 1), hvilket tillater passasje av de anodiske frigitte gasser og sirkulasjon av elektrolytten 54 indusert ved gassløft. Som vist på den venstre del av Fig. 3 er disse åpninger 17 av en avlang form anordnet i jevn avstand fra hverandre langs lengden av platene 16, men andre former er mulige, for eksempel sirkulære eller ovale og muligens med ujevn avstand. Eksempelvis er sirkulære åpninger 17 illustrert i den høyre del av Fig. 3. In the upper vertical parts, the active anode plates 16 have a series of openings 17 sufficiently high that the level of the electrolyte melt 54 intersects the openings 17 approximately in the middle (as shown in Fig. 1), allowing the passage of the anodic liberated gases and circulation of the electrolyte 54 induced by gas lift. As shown in the left part of Fig. 3, these openings 17 of an elongated shape are arranged at an even distance from each other along the length of the plates 16, but other shapes are possible, for example circular or oval and possibly with uneven spacing. For example, circular openings 17 are illustrated in the right part of Fig. 3.

Som en variant kan de illustrerte aktive anodeplater 16 erstattes av en rekke bøyde vertikale staver eller av en nettverksstruktur med gjennomgående hulrom for gassfrigivelse. Fig. 4 viser en del av den drenerte katodealuminiumproduksjonscelle ifølge Fig. 1, omfattende mange oksygenutviklende ikke-karbon 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 titandiboridbelegg ifølge US 5316718 (Sekhar et al). As a variant, the illustrated active anode plates 16 can be replaced by a series of bent vertical rods or by a network structure with through-going cavities for gas release. Fig. 4 shows a part of the drained cathode aluminum production cell according to Fig. 1, comprising many oxygen-evolving non-carbon anodes 10 suspended above a cathode 30 comprising a cathode mass 32A, 32B with inclined cathode surfaces 35 and coated with an aluminum wettable coating 37, for example a slurry applied titanium diboride coating according to US 5316718 (Sekhar et al).

Den nedre del 32B av katodemassen er fordelaktig et komposittmateriale av alumina-aluminium-titandiborid, fremstilt for eksempel 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 termiske forskjeller under celleoppstart og drift, samtidig som god konduktivitet opprettholdes slik det er nødvendig for effektiv funksjon som katodemasse. The lower part 32B of the cathode mass is advantageously a composite material of alumina-aluminium-titanium diboride, produced for example by micropyretic reaction of TiO 2 , B 2 O 3 and Al. Such composite materials have a certain plasticity at the cell's operating temperature and have the advantage that they can absorb the effects of thermal differences during cell start-up and operation, while maintaining good conductivity as required for effective function as cathode mass.

Den øvre del 32A av katodemassen kan fremstilles av karbonmateriale, for eksempel pakket karbonpulver, grafittisert karbon eller stablede plater eller blokker av karbon lagt overlappende og adskilt med lag av et materiale som er ugjennomtrengelig og uinntrengelig for smeltet aluminium. Katodehelningen kan oppnås ved bruk av tverrsnitt av de sammenstilte katodeblokker, hvor helningen av den øvre overflate på de sammenstilte katodeblokker danner den aktive katodeoverflate, slik det er nærmere beskrevet i den internasjonale patentsøknad WO 96/07773 (de Nora). The upper part 32A of the cathode mass may be made of carbon material, for example, packed carbon powder, graphitized carbon, or stacked sheets or blocks of carbon laid overlapping and separated by layers of a material impermeable and impermeable to molten aluminum. The cathode slope can be achieved by using cross-sections of the assembled cathode blocks, where the slope of the upper surface of the assembled cathode blocks forms the active cathode surface, as described in more detail in the international patent application WO 96/07773 (de Nora).

Som illustrert har hver karbonblokk som utgjør den øvre del 32A av As illustrated, each carbon block comprising the upper portion 32A of

katodemassen i sin overflate i bunnen to metallstrømskinner 42 for jevn fordeling av elektrisk strøm i blokkene. Mot kantene er den øvre del 32A av katodemassen omgitt av en masse av rammepasta 32C som alternativt kan erstattes av silisiumkarbidplater. the cathode mass in its surface at the bottom two metal current rails 42 for even distribution of electric current in the blocks. Towards the edges, the upper part 32A of the cathode mass is surrounded by a mass of frame paste 32C which can alternatively be replaced by silicon carbide plates.

Den nedre del 32B av katodemassen bæres på et metallisk katodeholderskall eller -plate 31 som beskrevet i søkernes internasjonale patentsøknadspublikasjon WO98/53120, hvortil strøm leveres via én eller flere strømoppsamlingsskinner som strekker seg gjennom den elektriske og termiske isolasjon 40 i bunnen av cellen, eller gjennom cellens sidevegger. The lower portion 32B of the cathode mass is supported on a metallic cathode holder shell or plate 31 as described in Applicants' International Patent Application Publication WO98/53120, to which current is supplied via one or more current collection rails extending through the electrical and thermal insulation 40 at the bottom of the cell, or through the side walls of the cell.

Over de aktive deler av anodene 10 er det anordnet et horisontalt avtagbart deksel 60 som hviler over nivået av elektrolytten 54. Dekslet 60 er fremstilt i seksjoner som er individuelt avtagbare med de respektive anoder 10, eventuelt etterlatende gassfrigivningsgap 63' rundt anodestavene 14. Above the active parts of the anodes 10 is arranged a horizontally removable cover 60 which rests above the level of the electrolyte 54. The cover 60 is produced in sections which are individually removable with the respective anodes 10, optionally leaving gas release gaps 63' around the anode rods 14.

Under drift kan den beskrevne celle opereres med en strømtetthet fra 0,5 til 2 A/m<2> på det projiserte overflateareal av de aktive anodeplater 16. På grunn av helningen av de aktive overflater på anodeplatene 16, for eksempel med ca. 45°, vil boblene av oksygen som dannes under elektrolyse på disse hellende overflater unnslippe hurtig ved bevegelse oppover, og frigis fra toppen av de aktive hellende overflater mens størrelsen av boblene ennå er liten. Denne oppadrettede frigivelse av små bobler av oksygen danner et løft i elektrolyttsmelten 54 ved de hellende anodeoverflater. During operation, the described cell can be operated with a current density of from 0.5 to 2 A/m<2> on the projected surface area of the active anode plates 16. Due to the inclination of the active surfaces of the anode plates 16, for example by approx. 45°, the bubbles of oxygen formed during electrolysis on these inclined surfaces will quickly escape by moving upwards, and be released from the top of the active inclined surfaces while the size of the bubbles is still small. This upward release of small bubbles of oxygen forms a lift in the electrolyte melt 54 at the sloping anode surfaces.

Som indikert på Fig. 1 skjærer nivået av elektrolyttsmelten 54 åpningene 17 omtrent halvveis opp, slik at anodisk frigjort gass (oksygen) kan unnslippe ved å passere gjennom åpningene 17. Elektrolyttsmelten 54 sirkulert oppover ved gassløft kan videre også føres ut gjennom åpningene 17, hvorfra det sirkuleres nedover på utsiden av den hellende overflate på anodeplatene 16, slik det er indikert ved pilen E på Fig. 1. As indicated in Fig. 1, the level of the electrolyte melt 54 cuts the openings 17 approximately half way up, so that anodic liberated gas (oxygen) can escape by passing through the openings 17. The electrolyte melt 54 circulated upwards by gas lift can further also be led out through the openings 17, from where it is circulated downwards on the outside of the inclined surface of the anode plates 16, as indicated by arrow E in Fig. 1.

For å etterfylle alumina konsumert under elektrolyse blir ny alumina periodisk tilført til rommet utenfor bunnen av anode-katodegapet, slik det er indikert ved pil A. Dette nye alumina medrives deretter i strømmen av elektrolytt 54 inn i anode-katodegapet slik at elektrolytten 54 i dette gap aldri blir utarmet på alumina under drift. To replenish alumina consumed during electrolysis, new alumina is periodically supplied to the space outside the bottom of the anode-cathode gap, as indicated by arrow A. This new alumina is then entrained in the flow of electrolyte 54 into the anode-cathode gap so that the electrolyte 54 in this gap is never depleted of alumina during operation.

Under elektrolyse omdannes ionisk aluminium til metallisk aluminium på den aluminiumfuktbare overflate 37 på de hellende katodeoverflater 35. På grunn av helningen på denne katodeoverflate, for eksempel ved ca. 45°, dreneres det produserte aluminium som en tynn film og oppsamles i trauene 38. Denne strøm nedover av smeltet aluminium finner sted under gravitasjonspåvirkning og er ikke i konflikt med strømmen oppover av gass og medrevet elektrolytt 54 ved de hellende overflater og anodeplatene 16. Dannelsen av en suspensjon av små aluminiumpartikler minimeres eller unngås. During electrolysis, ionic aluminum is converted to metallic aluminum on the aluminum wettable surface 37 of the inclined cathode surfaces 35. Due to the inclination of this cathode surface, for example at approx. 45°, the produced aluminum is drained as a thin film and collected in the troughs 38. This downward flow of molten aluminum takes place under gravitational influence and does not conflict with the upward flow of gas and entrained electrolyte 54 at the inclined surfaces and anode plates 16. The formation of a suspension of small aluminum particles is minimized or avoided.

Som et resultat kan de hellende aktive overflater på anodeplatene 16 og de hellende aktive katodeoverflater 35 anordnes fra hverandre med et lite anode-katodegap, mindre enn 3 cm og muligens kun 2 cm, samtidig som et høyt utbytte opprettholdes ved elektrolysen. As a result, the inclined active surfaces of the anode plates 16 and the inclined active cathode surfaces 35 can be arranged apart with a small anode-cathode gap, less than 3 cm and possibly only 2 cm, while maintaining a high yield in the electrolysis.

Fig. 5 illustrerer en del av en annen celle ifølge oppfinnelsen, innbefattende en anodestruktur med modifisert utforming, hvor de samme henvisningstall benyttes for å angi tilsvarende elementer som tidligere, eller deres ekvivalenter, hvilke ikke vil bli beskrevet igjen i full detalj. Fig. 5 illustrates part of another cell according to the invention, including an anode structure with a modified design, where the same reference numbers are used to indicate corresponding elements as before, or their equivalents, which will not be described again in full detail.

I cellen ifølge Fig. 5, er det over katoden 30 opphengt en rekke ikke-karbon i hovedsak ikke-konsumerbare oksygenutviklende anoder 10, hvor hver anode 10 omfatter en rekke hellende aktive nedre plater 16 opphengt med en vertikal strøminnledende stav 14 via strømfordelingselementer 18. In the cell according to Fig. 5, there is suspended above the cathode 30 a series of non-carbon essentially non-consumable oxygen developing anodes 10, where each anode 10 comprises a series of inclined active lower plates 16 suspended with a vertical current-initiating rod 14 via current distribution elements 18.

I dette eksempel dannes de strøm fordelende elementer 18 av en rekke side-ved-side hellende metallplater 16 sammenkoblet ved tverrplater som ikke er vist. De aktive deler av anodene dannes av de hellende plater 16 som for eksempel er fremstilt av nikkel-jern-aluminium eller nikkel-jern-aluminium-kobber med en oksidoverflater 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 flater på anodene 10 understøtter fjerningen av de anodisk utviklede gasser, i hovedsak oksygen. In this example, the current distributing elements 18 are formed by a series of side-by-side sloping metal plates 16 interconnected by cross plates which are not shown. The active parts of the anodes are formed by the inclined plates 16 which are for example made of nickel-iron-aluminium or nickel-iron-aluminium copper with an oxide surface as described in patent publication US 5510008 (de Nora et al). The plates 16 are arranged in adjacent pairs forming a roof-like configuration. The sloping internal active surfaces of the anodes 10 support the removal of the anodically developed gases, mainly oxygen.

Den illustrerte anode 10 har tre par hellende plater 16 i en taklignende konfigurasjon. Imidlertid kan anoden 10 innbefatte ethvert hensiktsmessig antall av disse par av hellende plater. The illustrated anode 10 has three pairs of inclined plates 16 in a roof-like configuration. However, the anode 10 may include any suitable number of these pairs of inclined plates.

Istedenfor å være hele 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. Instead of being whole, the plates 16 can be replaced by a series of rods or fingers arranged apart from each other and also with an inclination. In this case, the anodically evolved gases can escape between the rods or fingers.

I utførelsesformen ifølge Fig. 4 omfatter katoden 30 en metallisk katodebærer 31 i form av et skall eller en tallerkenformet plate hvortil strøm føres med strømfordelingsskinner 42 som i dette tilfelle er horisontale og ført gjennom siden av cellen. Strømskinnene 42 kan alternativt være vertikale og strekker seg gjennom bunnen av cellen. Det indre skall 31 har en flat bunn og sidevegger 33 med helning, og danner en oppad åpen beholder for en katodemasse 32 som fordelaktig er en kompositt av alumina-aluminium-titandiborid, f.eks. produsert ved mikropyretisk reaksjon av Ti02, B2O3 og Al og som er anordnet rundt kantene av katodebærerens 32 sidevegger 33 med helning. In the embodiment according to Fig. 4, the cathode 30 comprises a metallic cathode carrier 31 in the form of a shell or a plate-shaped plate to which current is supplied with current distribution rails 42 which in this case are horizontal and are carried through the side of the cell. The current rails 42 can alternatively be vertical and extend through the bottom of the cell. The inner shell 31 has a flat bottom and side walls 33 with a slope, and forms an upwardly open container for a cathode mass 32 which is advantageously a composite of alumina-aluminium-titanium diboride, e.g. produced by micropyretic reaction of Ti02, B2O3 and Al and which is arranged around the edges of the cathode carrier 32 side walls 33 with a slope.

Med fordel kan et luft- eller gassrom (ikke vist) tilveiebringes mellom undersiden av katodebærerskallet 31 og toppen av steinene 40, i rommene som forblir mellom de horisontale strømfordelingsskinner 42 hvor mange ytterligere mellomstykker slik som dragere tilveiebringes. Dette rom under den sentrale flate del av katodebæreren 31 funksjonerer som et termisk isolasjonsrom ved at det er mulig å justere temperaturen av katoden 30 (skallet 31 og katodemassen 32) ved å tilføre en varmende eller avkjølende gass til rommet. For eksempel under celleoppstart kan katoden 30 varmes ved å føre varm gass gjennom rommet. Eller under drift kan overflaten av katodemassen 32 avkjøles for å bringe elektrolytten 54 som kontakterer overflaten til en beskyttende pasta. Advantageously, an air or gas space (not shown) can be provided between the underside of the cathode carrier shell 31 and the top of the stones 40, in the spaces remaining between the horizontal current distribution rails 42 where many further spacers such as supports are provided. This space below the central flat part of the cathode carrier 31 functions as a thermal insulation space in that it is possible to adjust the temperature of the cathode 30 (shell 31 and cathode mass 32) by supplying a heating or cooling gas to the space. For example, during cell start-up, the cathode 30 can be heated by passing hot gas through the room. Or, during operation, the surface of the cathode mass 32 may be cooled to bring the electrolyte 54 contacting the surface into a protective paste.

Den sentrale del av toppen av katodemassen 32 har en flat overflate som kan helle på langs av cellen og lede ned inn i en kanal eller et lager for drenering av smeltet aluminium, plassert ved en 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. 4 er det på toppen av katodemassen 32 anordnet mange aktive katodelegemer 39 med hellende overflater som også er belagt med det aluminiumfuktbare belegg 37 og som vender mot de hellende flater av de aktive anodeplater eller staver 16. The central part of the top of the cathode mass 32 has a flat surface which can slope lengthwise of the cell and lead down into a channel or reservoir for draining molten aluminum, located at one end of the cell. On top of the cathode mass 32 there is a coating 37 of aluminum wettable material, preferably a slurry-applied boride coating as described in patent publication US 5316718 (Sekhar et al). As shown in Fig. 4, many active cathode bodies 39 are arranged on top of the cathode mass 32 with inclined surfaces which are also coated with the aluminum wettable coating 37 and which face the inclined surfaces of the active anode plates or rods 16.

Over hver anode 10, hvilende på strømfordelingselementene 18, er det mulig å plassere et termisk isolasjonsdeksel (ikke vist). Med dette anode-katodearrangement, når anoden 10 er senket til sin driftsposisjon, holdes de hellende aktive plater eller staver 16 på anoden 10 med et lite mellomrom over de hellende katodeoverflater 35. Ved denne driftsposisjon av anodene kan et slikt termisk isolasjonsdeksel holdes på jevnt nivå med eller like under toppen av cellesideveggene 22 og like over nivået av elektrolytten 54. Above each anode 10, resting on the current distribution elements 18, it is possible to place a thermal insulation cover (not shown). With this anode-cathode arrangement, when the anode 10 is lowered to its operating position, the inclined active plates or rods 16 are held on the anode 10 with a small gap above the inclined cathode surfaces 35. At this operating position of the anodes, such a thermal insulation cover can be held at a uniform level with or just below the top of the cell sidewalls 22 and just above the level of the electrolyte 54.

Cellen illustrert på Fig. 5 gjør bruk av hellende oksygenutviklende ikke-karbon anoder 10 som vender mot en dimensjonsstabil drenert katode 30 med hellende aluminiumfuktbare driftsoverflater 35/37, hvilke gjør det mulig for cellen å opereres med et smalt anode-katodegap, eksempelvis ca. 3 cm eller mindre (særlig på grunn av den forbedrede gassfrigivelse med de hellende anode-katodeoverflater), istedenfor 4 til 5 cm som for konvensjonelle celler. Dette mindre anode-katodegap betyr en betydelig reduksjon av varmen produsert under elektrolyse, hvilket leder til behov for ekstra isolasjon for å forhindre størkning av elektrolytten. The cell illustrated in Fig. 5 makes use of inclined oxygen-evolving non-carbon anodes 10 facing a dimensionally stable drained cathode 30 with inclined aluminum wettable operating surfaces 35/37, which enable the cell to operate with a narrow anode-cathode gap, for example approx. 3 cm or less (especially due to the improved gas release with the inclined anode-cathode surfaces), instead of 4 to 5 cm as for conventional cells. This smaller anode-cathode gap means a significant reduction of the heat produced during electrolysis, leading to the need for additional insulation to prevent solidification of the electrolyte.

Under drift av cellen på Fig. 4 eller Fig.5, 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. Især vil dette hemme dannelsen av en elektrolyttsaltskorpe som vil kunne lede til at en del av anoden deaktiveres inntil elektrolyttsaltskorpen har smeltet. During operation of the cell of Fig. 4 or Fig. 5, it is advantageous to preheat each anode 10 before installing it in the cell to replace an anode 10 that has been deactivated or needs overhaul. In particular, this will inhibit the formation of an electrolyte salt crust which could lead to part of the anode being deactivated until the electrolyte salt crust has melted.

Claims

1. Cell with a drained cathode for the production of aluminum by electrolysis of an aluminum compound dissolved in a molten electrolyte, the cell comprising at least one oxygen-evolving non-carbon anode facing at least one cathode, the one or each cathode having one or more dimensionally stable inclined aluminum wettable cathode surfaces, characterized in that the one or each anode has a plurality of active anode surfaces parallel to the cathode surfaces, the anode and cathode surfaces being spaced apart by an anode-cathode gap and configured to induce an upward release of the anode gas and an upward circulation of the electrolyte with a downward drainage of the aluminum produced, where one or each anode comprises an assembly of plates, parallel rods or strips spaced apart and with a cross-section and space to facilitate gas release, and suspended by at least one current distribution rail across which the many anode surfaces are formed of the surfaces of the plates, rods or strips.

2. Cell according to claim 1, characterized in that the anode-cathode gap between the inclined anode and cathode surfaces is up to 3 cm.

3. Cell according to claim 1 or 2, characterized in that the entire cell bottom or part of it is at a slope to support movement and collection of the molten aluminium.

4. Cell according to claim 3, characterized in that the cell bottom is arranged with a slope without the center of the cell being moved, by raising one end of the cell and lowering the other end.

5. Cell according to any preceding claim, characterized in that it comprises a warehouse located inside or outside the cell, for bottling the aluminum product.

6. Cell according to any preceding claim, characterized in that the active cathode surface is made dimensionally stable with a slurry-applied coating of aluminium-wettable refractory material which controls sodium penetration.

7. Cell according to any preceding claim, characterized in that the active cathode surface as well as the remaining part of the bottom of the cell is protected by an aluminum wettable titanium diboride coating, or titanium diboride plates, or a fiber cloth or a porous shell filled with a titanium diboride slurry.

8. Cell according to any preceding claim, characterized in that the side wall of the cell also acts as an active cathode and is protected with an aluminum wettable coating on which aluminum is also formed.

9. Cell according to any preceding claim, characterized in that the main part of the active cathode surface has an inclination of 5° to 45° to the horizontal.

10. Cell according to any preceding claim, characterized in that the cathode slope is achieved by using cross-sections of assembled cathode blocks with a modified design, where the sloping upper surface of the assembled cathode blocks forms the active cathode surface.

11. Cell according to claim 1, characterized in that the cathode slope is achieved by providing a wedge-shaped element on a flat cathode base, where the wedge-shaped element is made of carbon or a refractory material with a specific density greater than molten aluminum and cryolite, or contains ballast, where the wedge-shaped element is also coated with a aluminum wettable titanium diboride coating.

12. Cell according to claim 11, characterized in that the wedge-shaped element is massive.

13. Cell according to claim 11, characterized in that the wedge-shaped element is made of plates laid next to each other with spaces between them.

14. Cell according to claim 1, characterized in that the anode is produced from an assembly of inclined plates laid in a parallel configuration with spaces between them and suspended with at least one current-distributing element across the inclined plates.

15. Cell according to claim 1, characterized in that the oxygen-evolving non-carbon anode is an open structure with two surfaces with a groin opening or other openings in the surface to guide the anodically produced gas away from the inside of the anode structure.

16. Cell according to any preceding claim, characterized in that the anode has a cross-section to favor the escape of the anodically produced gas and circulation of the electrolyte.

17. Cell according to claim 16, characterized in that one or each anode comprises an inclined operating surface and an essentially vertical upper part with openings in it for circulation of the electrolyte.

18. Cell according to claim 8, characterized in that the bottom of the side walls are joined to the edges of the cell bottom without any wedge of frame paste in between, whereby the anodes are close to the cell side walls which are operated as a cathode facing a vertical part of the anodes.

19. Cell according to any preceding claim, characterized in that the side wall of the cell is equipped with sufficient internal and/or external thermal insulation so that the cell is operated without the formation of a salt crust of solidified electrolyte.

20. Cell according to any preceding claim, characterized in that the cathode comprises a cathode mass mainly made of an electrically conductive non-carbon material.

21. Cell according to claim 20, characterized in that the cathode mass is produced from a composite material produced from an electrically conductive material and an electrically non-conductive material.

22. Cell according to claim 21, characterized in that the composite material is a mass made of alumina and titanium diboride bound with aluminium, obtainable by reaction whereby the reactants are TiB2, B2O3 and Al.

23. Cell according to any preceding claim, characterized in that it comprises a removable thermal insulation cover just above the level of the electrolyte melt.

24. Cell according to claim 23, characterized in that the thermal insulation cover is removable with at least one anode.

25. Cell according to any preceding claim, characterized in that it comprises an air or gas space between the cathode and an electrical and thermal insulating mass which forms a cell lining.

26. Process for producing aluminum in a cell according to any preceding claim, characterized in that it comprises conducting the electrolytic current at a current density of 0.5 to 2 A/cm per projecting area of the anode, to induce an upward circulation of the electrolyte in the anode-cathode gap upon gas release.

27. Method according to claim 26, characterized in that it further comprises adding an aluminaric melt at the lower part of the anode-cathode gap.