NO322945B1

NO322945B1 - Current rail for anode or cathode, as well as electrode.

Info

Publication number: NO322945B1
Application number: NO20053442A
Authority: NO
Inventors: Stig Torvund
Original assignee: Stig Torvund
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-12-18
Also published as: NO20053442L; NO20053442D0

Abstract

Strømskinne for anode eller katode for bruk ved fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina i et elektrolysebad i en elektrolyseovn, hvilken strømskinne omfatter én eller flere ender eller seksjoner som under drift skal stikke ut av en elektrodemasse og én eller flere ender eller seksjoner som under drift skal være innebygd i elektrodemassen. Strømskinnen særpreges ved ett eller begge av trekkene: - ender eller seksjoner som under drift skal være innebygd i elektrodemassen er utformet som ett eller flere i hovedsak horisontalt orienterte koniske legemer med største horisontale tverrsnittdimensjon inne i elektrodemassen, slik at ved å skyve nevnte legemer aksialt inn i ett eller flere tilpassede koniske hull i elektrodemassen vil nevnte legemer innebygges og holdes i elektrodemassen, og - nevnte koniske legemer eller koblingsstykker dertil er fremstilt av stål eller stål over en kobberkjerne, og er utstyrt med ett eller flere i hovedsak horisontalt utformede sylindriske eller koniske spor med største horisontale tverrsnittdimensjon inne i nevnte spor, slik at ved å skyve inn tilsvarende utformede kobberskinner på de utenforliggende deler av strømskinnen, vil nevnte legemer og skinner avtagbart sammenføyes. Tilpasset elektrodemasse og elektroder beskrives også.Anode or cathode current rail for use in the manufacture of aluminum by electrolysis of alumina in an electrolytic bath in an electrolysis furnace, comprising one or more ends or sections projecting from an electrode mass and one or more ends or sections during operation should be built into the electrode mass. The current rail is characterized by one or both of the features: - ends or sections which are to be embedded in the electrode mass during operation, are designed as one or more mainly horizontally oriented conical bodies with the largest horizontal cross-sectional dimension inside the electrode mass, so that by pushing said bodies axially in in one or more adapted conical holes in the electrode mass, said bodies will be embedded and held in the electrode mass, and - said conical bodies or couplings thereto are made of steel or steel over a copper core, and are provided with one or more generally horizontally formed cylindrical or conical grooves having the greatest horizontal cross-sectional dimension within said grooves, so that by sliding correspondingly shaped copper rails onto the outer portions of the current rail, said bodies and rails are removably joined together. Customized electrode mass and electrodes are also described.

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en strømskinne for anode eller katode for bruk ved fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina i et elektrolysebad i en elektrolyseovn, samt en elektrode The present invention relates to a current rail for anode or cathode for use in the production of aluminum by electrolysis of alumina in an electrolysis bath in an electrolysis furnace, as well as an electrode

O ppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

Fremstilling av primært aluminium finner sted ved elektrolyse av alumina oppløst i et smeltet halogenidelektrolysebad, eksempelvis et elektrolysebad omfattende kryolitt. Ved elektrolysen blir forbindelser som spaltes til ioner i elektrolytten redusert ved katoden og oksidert ved anoden, ved hjelp av påtrykt strøm. Således kan det produseres aluminium ved katoden og oksygen ved anoden. Prosessen som benyttes ved fremstilling av aluminium, Hall-Heroult-prosessen, ble utviklet nærmest samtidig og uavhengig av amerikaneren Hall og franskmannen Heroult for mer enn hundre år siden. For både anoden og katoden er det mest vanlig å benytte elektrodemasse av kull, med en eller flere strømskinner innebygd i kullet. Funksjonen til strømskinnene er å levere strøm til eller fra elektrodemassen, å lede varme bort fra elektrolysebadet, samt å bidra til den mekaniske styrke og sammenheng. Strømskinnene kobles direkte eller via ytterligere innretninger til en ytre strømkrets. Production of primary aluminum takes place by electrolysis of alumina dissolved in a molten halide electrolysis bath, for example an electrolysis bath comprising cryolite. During electrolysis, compounds that break down into ions in the electrolyte are reduced at the cathode and oxidized at the anode, using an applied current. Thus, aluminum can be produced at the cathode and oxygen at the anode. The process used in the production of aluminium, the Hall-Heroult process, was developed almost simultaneously and independently by the American Hall and the Frenchman Heroult more than a hundred years ago. For both the anode and the cathode, it is most common to use electrode mass of coal, with one or more current rails embedded in the coal. The function of the current rails is to supply current to or from the electrode mass, to conduct heat away from the electrolysis bath, as well as to contribute to the mechanical strength and coherence. The power rails are connected directly or via additional devices to an external power circuit.

I patentpublikasjon WO 02/42525 beskrives en del ulike varianter av strømskinner for henholdsvis anoder og katoder, med tilhørende beskrivelse av vesentlige trekk for strømskinner. In patent publication WO 02/42525, a number of different variants of busbars are described for anodes and cathodes, respectively, with a corresponding description of essential features for busbars.

I patentpublikasjon WO 02/055761 Al er det beskrevet en karbonelektrode med et spor anordnet i overflaten, hvilket spor har større tverrsnittsdimensjon nede i sporet enn ved elektrodens overflate, og sporet strekker seg fortrinnsvis til minst én side av elektroden, slik at en anodehenger med nedre ende utformet tilsvarende som sporet kan føres inn fra siden og holdes fast i sporet. Anodehengerens nedre del, det såkalte hodet, er skrudd fast med gjenger til overliggende del. In patent publication WO 02/055761 Al, a carbon electrode is described with a groove arranged in the surface, which groove has a larger cross-sectional dimension down in the groove than at the surface of the electrode, and the groove preferably extends to at least one side of the electrode, so that an anode hanger with lower end designed similarly to the slot can be inserted from the side and held firmly in the slot. The lower part of the anode hanger, the so-called head, is screwed to the upper part with threads.

I patentpublikasjon NO 883887 A er det beskrevet en festeanordning for karbonanoder, idet anoden på oversiden er utstyrt med minst ett langsgående spor som strekker seg over hele anodens lengde, hvor nedre del av sporet har sirkulær utforming med større diameter enn bredden av sporets øvre del. Det er beskrevet en anodehenger som består av en øvre del av aluminium eller kobber som er forbundet til en nedre del av stål. Forbindelsen mellom nevnte deler kan være en form for sveiseforbindelse, loddeforbindelse eller en støpeforbindelse. In patent publication NO 883887 A, a fastening device for carbon anodes is described, the anode on the upper side being equipped with at least one longitudinal groove which extends over the entire length of the anode, where the lower part of the groove has a circular design with a larger diameter than the width of the upper part of the groove. An anode hanger is described which consists of an upper part of aluminum or copper which is connected to a lower part of steel. The connection between said parts can be a form of welding connection, soldering connection or a casting connection.

Til tross for mange års utvikling finnes det ennå behov for forbedring av komponenter i elektrolyseovnen, deriblant strømskinnene. Det er særlig behov for strømskinner som har stor varmeledningsevne bort fra elektrolysebadet. Videre vil det være fordelaktig med strømskinner med redusert spenningsfall, hvilket blant annet har sammenheng med berøringstverrsnittet mot kullet. Det vil også være fordelaktig med strømskinner som for anodenes del ikke behøver å støpes til kullet via en støpejernsfatning som dannes ved at flytende støpejern blir helt ned i mellomrommet mellom tilpassede hull i elektrodemassen og i nevnte hull innførte anodenipler, hvilket er gjort mulig ved at hullene i elektrodemassen har litt større diameter enn niplene. Det er følgelig behov for å unngå bruk av en støpejernsfatning for innfesting av strømskinnene til kullet, hvorved strømskinnene kan bli mer fordelaktige med hensyn til montering og demontering til kullet. Det er også behov for en innfesting av de i elektrodemassen innebygde deler eller seksjoner med de øvrige deler av strømskinnene, på en enkel og avtakbar måte, med god elektrisk, termisk og mekanisk kontakt. Despite many years of development, there is still a need to improve components in the electrolysis furnace, including the power rails. There is a particular need for busbars that have high thermal conductivity away from the electrolysis bath. Furthermore, it would be advantageous to have busbars with a reduced voltage drop, which, among other things, is related to the contact cross-section against the coal. It would also be advantageous to have current rails which, for the anodes, do not need to be cast to the coal via a cast iron socket which is formed by liquid cast iron being completely immersed in the space between adapted holes in the electrode mass and anode nipples inserted in said holes, which is made possible by the holes in the electrode mass have a slightly larger diameter than the nipples. There is consequently a need to avoid the use of a cast iron socket for attaching the busbars to the coal, whereby the busbars can become more advantageous with regard to assembly and disassembly to the coal. There is also a need for an attachment of the parts or sections embedded in the electrode mass with the other parts of the current rails, in a simple and removable way, with good electrical, thermal and mechanical contact.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en ny type strømskinne for anode eller katode for bruk ved fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina i et elektrolysebad i en elektrolyseovn, hvilken strømskinne omfatter én eller flere ender eller seksjoner omfattende kobber eller kobberkjerne, hvilke under drift skal stikke ut av en elektrodemasse, og én eller flere ender eller seksjoner av stål, hvilke under drift skal være innebygd i elektrodemassen, særpreget ved at den omfatter With the present invention there is provided a new type of anode or cathode current busbar for use in the production of aluminum by electrolysis of alumina in an electrolytic bath in an electrolytic furnace, which current busbar comprises one or more ends or sections comprising copper or a copper core, which during operation shall protrude of an electrode mass, and one or more ends or sections of steel, which during operation must be embedded in the electrode mass, characterized by the fact that it includes

en overgang mellom stål og kobber utformet som ett eller flere i hovedsak horisontalt orientert utformede sylindriske eller koniske spor i stålet med største horisontale tverrsnittdimensjon inne i nevnte spor, og tilsvarende utformede kobberskinner på de utenforliggende deler av strømskinnen, slik at ved å skyve kobberskinnene inn i stålsporene vil overgangen sammenføyes avtagbart. a transition between steel and copper designed as one or more essentially horizontally oriented cylindrical or conical grooves in the steel with the largest horizontal cross-sectional dimension inside said grooves, and correspondingly designed copper rails on the outer parts of the current rail, so that by pushing the copper rails into the steel tracks, the transition will be removably joined.

Med i hovedsak horisontalt orientert menes det i hovedsak parallelt med elektrolysebadet, eller vannrett med få graders avvik, mest foretrukket helt vannrett. By mainly horizontally oriented is meant mainly parallel to the electrolysis bath, or horizontal with a few degrees of deviation, most preferably completely horizontal.

Med et sylindrisk spor eller legeme menes det et jevnt tverrsnitt over det vesentligste av lengden, fortrinnsvis hele lengden bortsett fra eventuell avsmalning eller avrunding ved endene. Sylindrisk betyr ikke nødvendigvis rundt tverrsnitt, det eneste krav er at tverrsnittet er likt langs hele lengden. Tverrsnittet kan således være trekantet, firkantet, femkantet, rundt, elliptisk, T-formet eller ta enhver annen form, hvilket også gjelder for koniske legemer, forutsatt at de øvrige særpreg er beholdt. Det er også viktig å være klar over at sylinderlegemet kan ha utstrekning i vertikal retning slik at en del av sylinderlegemet, langs hele eller deler av dets lengde, kan stikke ut av eksempelvis elektrodemassen. By a cylindrical groove or body is meant a uniform cross-section over most of the length, preferably the entire length except for any tapering or rounding at the ends. Cylindrical does not necessarily mean round cross-section, the only requirement is that the cross-section is the same along the entire length. The cross-section can thus be triangular, square, pentagonal, round, elliptical, T-shaped or take any other shape, which also applies to conical bodies, provided that the other characteristics are retained. It is also important to be aware that the cylindrical body can extend in a vertical direction so that part of the cylindrical body, along all or part of its length, can protrude from, for example, the electrode mass.

Trekket at sylinderlegemets største horisontale tverrsnittdimensjon skal være inne i sporet når seksjonene eller endene er sammenstilt forhindrer at legemene som sammenstilt kan skilles fra hverandre ved å trekke i vertikal retning, vinkelrett på sylinderlegemets lengdeakse. En kobberskinne inne i et stålspor vil under drift ha meget god elektrisk, termisk og mekanisk kontakt fordi kobberet har større termisk ekspansjon enn stålet, slik at en hensiktsmessig toleranse for sammenstilling ved romtemperatur, eksempelvis på 0,15-0,5 mm klaring, vil bli utfylt ved ekspansjon av kobberet. Derved oppnås en avtakbar sammenføyning med god elektrisk, termisk og mekanisk kontakt, The feature that the cylinder body's largest horizontal cross-sectional dimension should be inside the groove when the sections or ends are assembled prevents the assembled bodies from being separated from each other by pulling in a vertical direction, perpendicular to the cylinder body's longitudinal axis. A copper rail inside a steel track will have very good electrical, thermal and mechanical contact during operation because the copper has greater thermal expansion than the steel, so that an appropriate tolerance for assembly at room temperature, for example of 0.15-0.5 mm clearance, will be filled by expansion of the copper. This results in a removable joint with good electrical, thermal and mechanical contact,

hvilket gir arbeidsbesparelse og mulighet for enkel utskifting av deler av en strømskinne. which provides labor savings and the possibility of easy replacement of parts of a power rail.

Det er fordelaktig om tverrsnittet av spor og skinner har form av en sirkel, trekant eller firkant under eller over et høyt og smalt rektangel, således at den største horisontale dimensjon av sirkelen, trekanten eller firkanten er minst fire ganger større enn den horisontale dimensjon av rektangelet. Dette medfører enkel og solid innfesting. It is advantageous if the cross-section of tracks and rails has the shape of a circle, triangle or square below or above a tall and narrow rectangle, so that the largest horizontal dimension of the circle, triangle or square is at least four times larger than the horizontal dimension of the rectangle . This results in simple and solid attachment.

Strømskinnen ifølge oppfinnelsen er fordelaktig utformet slik at ulike materialer i strømskinnenes lengderetning er sveiset sammen ved lineær friksjonssveising, surfacing friksjonssveising, rotasjons friksjonssveising, induksjonssveising, lasersveising eller elektronstrålesveising, på grunn av god elektrisk, termisk og mekanisk kontakt. The busbar according to the invention is advantageously designed so that different materials in the longitudinal direction of the busbars are welded together by linear friction welding, surfacing friction welding, rotational friction welding, induction welding, laser welding or electron beam welding, due to good electrical, thermal and mechanical contact.

Strømskinnen ifølge oppfinnelsen kan fordelaktig være utformet med The busbar according to the invention can advantageously be designed with

renaluminium, aluminiumlegering, kobber eller kobberlegering benyttet som konstruksjonsmateriale i delene lengst bort fra elektrodemassen, utenfor overgangen, eventuelt med en beskyttende kledning av stål for delene nære elektrodemassen. Derved maksimaliseres varmeledningen mens den elektriske motstand minimaliseres og elektrolysecellen kan opereres ved høy strømstyrke. pure aluminium, aluminum alloy, copper or copper alloy used as construction material in the parts farthest from the electrode mass, outside the transition, possibly with a protective coating of steel for the parts close to the electrode mass. Thereby, the heat conduction is maximized while the electrical resistance is minimized and the electrolysis cell can be operated at a high amperage.

Strømskinnen ifølge oppfinnelsen er fordelaktig enten en anodehenger eller et katodestål. Strømskinnene ifølge oppfinnelsen er fordelaktig overflatebehandlet med wolfram, for økt levetid. Strømskinnen med det særpregede trekk med kobberskinner, The current busbar according to the invention is advantageously either an anode hanger or a cathode steel. The power rails according to the invention are advantageously surface-treated with tungsten, for increased service life. The power rail with the distinctive feature of copper rails,

kan inkludere tradisjonelle nipler som endene eller seksjonene som under drift er innebygd i elektrodemassen. may include traditional nipples as the ends or sections which during operation are embedded in the electrode mass.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det også en elektrode, With the present invention there is also provided an electrode,

særpreget ved at den omfatter strømskinner ifølge den foreliggende oppfinnelse sammenstilt med elektrodemasse. characterized by the fact that it comprises current rails according to the present invention combined with electrode mass.

Tegninger Drawings

Oppfinnelsen illustreres nærmere ved hjelp av tegninger, hvor: The invention is illustrated in more detail by means of drawings, where:

Figur 1 viser en utførelsesform av en anodehenger ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser en annen utførelsesform av en anodehenger ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figure 1 shows an embodiment of an anode hanger according to the present invention. Figure 2 shows another embodiment of an anode hanger according to the present invention.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Det henvises til Figur 1 som illustrerer en utførelsesform av en anodehenger Reference is made to Figure 1 which illustrates an embodiment of an anode hanger

ifølge oppfinnelsen, nærmere bestemt en anodehenger hvor en kobberskinne 7 er according to the invention, more specifically an anode hanger where a copper rail 7 is

anordnet for å skyves inn i et tilsvarende utformet spor i et sylindrisk stållegeme 8 som skal innbygges i elektrodemasse. Kobberskinnen og sporet er utformet med toleranser slik at kobberskinnen relativt enkelt kan føres inn i sporet i stållegemet ved romtemperatur. Ved oppvarming under drift i cellen vil kobberet ekspandere mer enn stålet slik at det oppnås god elektrisk, termisk og mekanisk kobling mellom kobberet og stålet. arranged to be pushed into a correspondingly designed groove in a cylindrical steel body 8 to be built into the electrode mass. The copper rail and the slot are designed with tolerances so that the copper rail can be relatively easily inserted into the slot in the steel body at room temperature. When heated during operation in the cell, the copper will expand more than the steel so that a good electrical, thermal and mechanical connection is achieved between the copper and the steel.

Det henvises til Figur 2, hvor en ytterligere utførelsesform av en anodehenger ifølge oppfinnelsen er illustrert, nærmere bestemt er det illustrert en stålnippel 9 med spor for innføring av en kobberskinne 7. Et antall stålnipler kan føres inn på kobberskinnen 7. Reference is made to Figure 2, where a further embodiment of an anode hanger according to the invention is illustrated, more specifically a steel nipple 9 is illustrated with a slot for inserting a copper rail 7. A number of steel nipples can be inserted onto the copper rail 7.

Vedrørende anodehengerne som er illustrert på Figurene 1 og 2, kunne henholdsvis det sylindriske stållegeme 8 og stålniplene 9 erstattes med et konisk legeme av massivt stål eller med stålkledning rundt en kobberkjerne, med spor for innfesting av kobberskinnen, med sporet enten direkte ned i det koniske legeme eller ovenfor, eksempelvis i en tilkoblingsbjelke. Den mest foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen (ikke illustrert) omfatter alle fordelaktige trekk nevnt ovenfor. Regarding the anode hangers illustrated in Figures 1 and 2, the cylindrical steel body 8 and the steel nipples 9 could respectively be replaced with a conical body of solid steel or with steel cladding around a copper core, with a groove for fixing the copper rail, with the groove either directly down into the conical body or above, for example in a connecting beam. The most preferred embodiment of the invention (not illustrated) includes all advantageous features mentioned above.

Claims

1. Current busbar for anode or cathode for use in the manufacture of aluminum by electrolysis of alumina in an electrolytic bath in an electrolytic furnace, which busbar comprises one or more ends or sections comprising copper or a copper core, which during operation shall protrude from an electrode mass, and one or several ends or sections of steel, which during operation shall be embedded in the electrode mass, characterized in that it includes a transition between steel and copper designed as one or more essentially horizontally oriented cylindrical or conical grooves in the steel with the largest horizontal cross-sectional dimension inside said grooves, and correspondingly designed copper rails on the outer parts of the current rail, so that by pushing the copper rails into the steel tracks, the transition will be removably joined.

2. Power rail according to any one of claim 1, characterized in that the current rail is an anode hanger.

3. Power rail according to claim 1, characterized in that the current rail is a cathode steel.

4. Power rail according to any one of claims 1 to 3, characterized in that pure aluminium, aluminum alloy, copper or copper alloy is used as construction material in the parts farthest from the electrode mass, outside the transition, possibly with a protective coating of steel.

5. Electrode, characterized in that it comprises busbars according to any one of claims 1-4 combined with electrode mass.