NO332480B1 - Electrolysis cell and method of operation of the same - Google Patents
Electrolysis cell and method of operation of the same Download PDFInfo
- Publication number
- NO332480B1 NO332480B1 NO20064165A NO20064165A NO332480B1 NO 332480 B1 NO332480 B1 NO 332480B1 NO 20064165 A NO20064165 A NO 20064165A NO 20064165 A NO20064165 A NO 20064165A NO 332480 B1 NO332480 B1 NO 332480B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- cathode
- current
- horizontal
- outlet
- vertical
- Prior art date
Links
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 17
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
- C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
- C25C7/025—Electrodes; Connections thereof used in cells for the electrolysis of melts
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
Description
Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om forbedringer ved en elektrolysecelle og en framgangsmåte for drift av cellen. Spesielt dreier oppfinnelsen seg om den elektriske strømfordelingen i en celle av Hall-Héroult-typen for produksjon av aluminium. The present invention relates to improvements in an electrolysis cell and a method for operating the cell. In particular, the invention relates to the electrical current distribution in a cell of the Hall-Héroult type for the production of aluminium.
TEKNISK FELT FOR OPPFINNELSEN TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
For å kunne forstå oppfinnelsen godt, må man først og fremst være oppmerksom på at aluminium produseres industrielt ved elektrolyse i celler som er koblet sammen elektrisk i serie, med en løsning av alumina i smeltet kryolitt som ved hjelp av varmeeffekten fra strømmen som går gjennom cellen. Cellen er oppvarmet vanligvis til mellom 940 og 980 °C. In order to understand the invention well, one must first of all be aware that aluminum is produced industrially by electrolysis in cells that are electrically connected in series, with a solution of alumina in molten cryolite which, with the help of the heating effect from the current passing through the cell . The cell is usually heated to between 940 and 980 °C.
Hver celle består av en isolert stålbeholder formet som et parallellepiped, og denne understøtter en katode som inneholder ferdigbrente karbonblokker med noen innkapslede stålstenger som kalles samleskinner for katodestrømmen, og som leder strømmen ut av cellen, tradisjonelt omtrent halvparten fra hver av langsidene til cellen. Samleskinnene for katodestrømmen er koblet til strømskinnesystemet, som leder strømmen fra katodene i én celle til anodene i den neste. Anodesystemet, som består av karbon, stål og aluminium, er festet på en såkalt «anoderamme», med anodestenger som kan justeres i høyden og står i elektrisk kontakt med katodestengene i foregående celle. Each cell consists of an insulated steel container shaped like a parallelepiped, and this supports a cathode containing preburned carbon blocks with some encased steel rods called cathode current busbars, which conduct the current out of the cell, traditionally about half from each of the long sides of the cell. The busbars for the cathode current are connected to the busbar system, which conducts the current from the cathodes of one cell to the anodes of the next. The anode system, which consists of carbon, steel and aluminium, is fixed on a so-called "anode frame", with anode rods that can be adjusted in height and are in electrical contact with the cathode rods in the preceding cell.
Elektrolytten, det vil si løsningen av alumina i smeltet kryolittblanding ved 940-980 °C, befinner seg mellom anodesystemet og katoden. Det produserte aluminiumet avsettes på katodens overflate. I bunnen av katodedigelen vil det alltid være et lag flytende aluminium. Siden karet er rektangulær, er anoderammen som anodene er montert i, vanligvis parallell med langsidene, mens katodestengene er parallelle med kortsidene, som gjerne kalles cellehoder. The electrolyte, i.e. the solution of alumina in molten cryolite mixture at 940-980 °C, is located between the anode system and the cathode. The produced aluminum is deposited on the surface of the cathode. At the bottom of the cathode crucible there will always be a layer of liquid aluminium. Since the vessel is rectangular, the anode frame in which the anodes are mounted is usually parallel to the long sides, while the cathode rods are parallel to the short sides, which are often called cell heads.
Det meste av magnetfeltet i cellen dannes av strømmen i anoden og katodesystemet. Alle andre strømmer vil perturbere dette magnetfeltet. Most of the magnetic field in the cell is formed by the current in the anode and cathode system. All other currents will perturb this magnetic field.
Cellene stilles opp i rekker og kan plasseres jamsides på tvers av produksjonslinjen med kortsidene parallelle med produksjonslinjen. Alternativt kan de plasseres ende mot ende slik at langsidene blir parallelle med produksjonslinjen. En produksjonslinje representeres vanligvis med to cellerekker. I de to rekkene har strømmen motsatt retning. Cellene er koblet elektrisk i serie, og serieendene kobles til den positive og negative polen på en elektrisk substasjon for likeretting og kontroll. Det oppstår sterke magnetfelt på grunn av den elektriske strømmen som går gjennom de forskjellige ledende elementene: anode, elektrolytt, flytende metall, katode og lederne som forbinder disse med hverandre. Sammen med den elektriske strømmen i den flytende elektrolytten og metallet danner disse feltene grunnlaget for den magnetohydrodynamiske (MHD) oppførselen til elektrolytten og det flytende metallet i karet. De såkalte Laplace-kreftene, som danner strømninger i elektrolytten og metallet, som har en ugunstig innvirkning på den stabile driften av cellen. Dessuten vil også utformingen av cellen og strømskinnekonfigurasjonen virke inn på hvordan den elektriske strømmen som går gjennom cellen fordeler seg. Det må være klart at oppfinnelsen kan implementeres både i celler som er oppstilt side ved side og i celler som er stilt opp ende mot ende. The cells are lined up in rows and can be placed jam-sides across the production line with the short sides parallel to the production line. Alternatively, they can be placed end to end so that the long sides are parallel to the production line. A production line is usually represented by two rows of cells. In the two rows, the current has the opposite direction. The cells are connected electrically in series, and the series ends are connected to the positive and negative poles of an electrical substation for rectification and control. Strong magnetic fields arise due to the electric current that passes through the various conductive elements: anode, electrolyte, liquid metal, cathode and the conductors that connect these to each other. Together with the electric current in the liquid electrolyte and metal, these fields form the basis of the magnetohydrodynamic (MHD) behavior of the electrolyte and liquid metal in the vessel. The so-called Laplace forces, which form currents in the electrolyte and the metal, which have an adverse effect on the stable operation of the cell. In addition, the design of the cell and the busbar configuration will also affect how the electric current passing through the cell is distributed. It must be clear that the invention can be implemented both in cells that are lined up side by side and in cells that are lined up end to end.
Til vanlig er det arrangementet av anodene i cellen som hovedsakelig virker inn på strømfordelingen gjennom anodesystemet, i tillegg til utformingen av nippel-konfigurasjonen i anodeopphenget og grensesnittet mellom dem og den individuelle anoden. Usually, it is the arrangement of the anodes in the cell that mainly affects the current distribution through the anode system, in addition to the design of the nipple configuration in the anode suspension and the interface between them and the individual anode.
Katodesystemet er normalt utformet slik at samleskinnene er innkapslet i vannrett stilling i de individuelle katodeblokkene. Denne teknologiske løsningen har vist seg å være svært pålitelig og gir få problemer med lekkasje av smelte eller bad gjennom katodesystemet. Dessuten vil samleskinnene være beskyttet av katodematerialet rundt dem (karbonbasert materiale) som er meget motstandsdyktig mot høy temperatur og korrosjonsangrep. Til vanlig fanger strømskinnene opp strømmen utenfor katodekassen. En mangel ved denne kjente teknikken er at strømfordelingen i katodesystemet vil være mer intens i periferien av katodeblokkene enn andre steder. Dessuten vil en teknologi som baserer seg på homogen innkapsling av samleskinner i spalter som dannes på undersiden av katodeblokkene, gi en strømfordeling som synker ganske proporsjonalt med avstanden fra strømskinneoppsamleren langs samleskinnen innover mot den andre enden av katodeblokken. Derfor bør det være en fordel å kunne fordele strømmen på en måte som kan defineres på forhånd, og i mer hensiktsmessige områder av katodesystemet, for å oppnå en jevnere strømfordeling. The cathode system is normally designed so that the busbars are enclosed in a horizontal position in the individual cathode blocks. This technological solution has proven to be very reliable and causes few problems with leakage of melt or bath through the cathode system. In addition, the busbars will be protected by the cathode material around them (carbon-based material) which is highly resistant to high temperature and corrosion attack. Normally, the current rails capture the current outside the cathode box. A shortcoming of this known technique is that the current distribution in the cathode system will be more intense at the periphery of the cathode blocks than elsewhere. Moreover, a technology based on the homogeneous encapsulation of busbars in slots that are formed on the underside of the cathode blocks will give a current distribution that decreases quite proportionally with the distance from the busbar collector along the busbar inwards towards the other end of the cathode block. Therefore, it should be an advantage to be able to distribute the current in a way that can be defined in advance, and in more appropriate areas of the cathode system, in order to achieve a more uniform current distribution.
FRAMSTILLING AV PROBLEMET STATEMENT OF THE PROBLEM
Utformingen av katodestrømfordelingen og det tilsvarende strømskinnesystemet for aluminiumsproduksjonsceller er anerkjent som en av de mer kvalifiserte nøkkelaktivitetene når det gjelder å utvikle en konkurransedyktig teknikk for aluminium-reduksjons teknologi. The design of the cathode current distribution and the corresponding current rail system for aluminum production cells is recognized as one of the more qualified key activities in developing a competitive technique for aluminum reduction technology.
Formgiveren må ha flere frihetsgrader i prosessen med å utvikle et optimalt katodesystem, og bruke ferdighetene sine til å velge en konfigurasjon (topologi) som kan gi optimal strømfordeling. The designer must have several degrees of freedom in the process of developing an optimal cathode system, and use his skills to choose a configuration (topology) that can provide optimal current distribution.
Det er kjent at det burde være mulig å forbedre strømfordelingen i katodesystemet hvis strømmen kunne ledes bort fra katodesystemet ved punkter eller områder som er valgt på forhånd ved hjelp av beregninger og simulering. Dette vil imidlertid innebære at katodesystemet bør gjennomtrenges av strømledere eller plugger iallfall delvis fra bunnen og oppover, og at det fortrinnsvis kobles til horisontale samleskinner ved hjelp av disse. I dag finnes det ennå ikke noen velprøvd løsning for realiseringen av et slikt konsept med vertikale strømuttak i bunnen av katoden. It is known that it should be possible to improve the current distribution in the cathode system if the current could be diverted away from the cathode system at points or areas selected in advance by means of calculations and simulation. This will, however, mean that the cathode system should be penetrated by current conductors or plugs at least partially from the bottom upwards, and that it is preferably connected to horizontal busbars with the help of these. Today, there is still no proven solution for the realization of such a concept with vertical current outlets at the bottom of the cathode.
DEN KJENTE TEKNIKKEN THE KNOWN TECHNIQUE
EP 345959 A1 og GB 816587 viser elektrolyseceller med strømuttak i bunnen. Det er vist katodestål som delvis gjennomløper katoden og som er anordnet et nedad rettet uttak. EP 345959 A1 and GB 816587 show electrolysis cells with a current outlet in the bottom. Cathode steel is shown which partially runs through the cathode and which is provided with a downwardly directed outlet.
DE 3004071 A1 viser en elektrolysecelle med oppdelt katodestål. Istedet for tradisjonell anbringelse av sideuttak på motstående sider er sideuttakene anbrakt på samme side, på ulikt vertikalt nivå. DE 3004071 A1 shows an electrolytic cell with divided cathode steel. Instead of the traditional placement of side outlets on opposite sides, the side outlets are placed on the same side, at different vertical levels.
NO 165203 B1 angår undertrykking av magnetiske forstyrrelser i forbindelse med elektrolyseceller og anbringelse av strømuttak i katoden samt det tilhørende skinnesystem. NO 165203 B1 concerns the suppression of magnetic disturbances in connection with electrolytic cells and the placement of current outlets in the cathode and the associated rail system.
Ingen av de ovennevnte publikasjoner viser bunnuttak som har et avsmalnende parti. None of the above-mentioned publications show bottom outlets having a tapered portion.
SU 1444402 A1 angår et strømuttak i bunnen av en elektrolysecelle. En vertikal strømleder (9) er forbundet med et bunnkull (12) ved hjelp av en støpejernsfylling (11). Det fremgår ikke bunnuttak som har et avsmalnende parti nedad, siden strømlederen (9) synes å forløpe i hovedsak som et parallellepiped ut av katoden. SU 1444402 A1 relates to a power outlet at the bottom of an electrolysis cell. A vertical current conductor (9) is connected to a bottom coal (12) by means of a cast iron filling (11). There is no bottom outlet which has a tapering part downwards, since the current conductor (9) appears to run essentially like a parallelepiped out of the cathode.
US patent 3,470,083, ansøkt i oktober 1964, framlegger en katodebunn i en elektrolysecelle med strømledere satt inn vertikalt i katoden. I vertikale hull i katoden settes det inn sylindriske plugger som innkapsles i et materiale som helles i hullet. Det foreslåtte materialet kan bestå enten av en karbonmasse eller være en stivnet metallsmelte, for eksempel av jern. Med løsningen som presenteres i dette patentet ønsker man å løse problemene med de konvensjonelle samleskinnene, blant annet dem som skyldes forskjellig varmeutvidelse i karbonmaterialet og jernstengene (samleskinnene) og som gir betydelig mekanisk stress med tversgående sprekkdannelse i karbonblokkene. Denne løsningen er altså basert på å bytte ut de vannrette samleskinnene med mange plugger som har forholdsvis liten diameter. På tidspunktet da den ovennevnte patentsøknaden ble levert inn, var en celle som krevde 100.000 ampere definert som en stor celle. I dag vil en celle til vanlig bli definert som stor hvis den krever omtrent 2,5 ganger så mye strøm. Fordi pluggene har forholdsvis lite areal, vil det være altfor høy strømtetthet mellom hver av de individuelle pluggene og katoden selv om det brukes et betydelig antall plugger. Dessuten definerer ikke denne publikasjonen hvordan pluggene skal arrangeres optimalt for å oppnå en jevn strømfordeling, bortsett fra ett regelmessig, symmetrisk mønster som er framstilt på fig. 4-6 der det brukes 132 plugger. Og på grunn av varmekreftene og utvidelse/sammentrekking, vil løsningen med vertikale arrangerte plugger i henhold til denne publikasjonen få høyere motstand på grunn av det ovennevnte begrensede arealet for overføring av strøm og de tilsvarende høye punktvise strømtetthetene. De vertikale hullene i karbonblokkene kan fungere som svekkelsespunkter der det kan dannes sprekker, og hvis antallet plugger økes for å tilfredsstille strøm behovet til dagens store celler, vil det forverre situasjonen ytterligere. US patent 3,470,083, filed in October 1964, discloses a cathode base in an electrolytic cell with current conductors inserted vertically into the cathode. Cylindrical plugs are inserted into vertical holes in the cathode, which are encapsulated in a material that is poured into the hole. The proposed material can either consist of a carbon mass or be a solidified metal melt, for example of iron. With the solution presented in this patent, the aim is to solve the problems with the conventional busbars, including those due to different thermal expansion in the carbon material and the iron bars (busbars) and which cause significant mechanical stress with transverse cracking in the carbon blocks. This solution is therefore based on replacing the horizontal busbars with many plugs that have a relatively small diameter. At the time the above patent application was filed, a cell requiring 100,000 amps was defined as a large cell. Today, a cell will usually be defined as large if it requires approximately 2.5 times as much power. Because the plugs have a relatively small area, there will be far too high a current density between each of the individual plugs and the cathode even if a significant number of plugs are used. Moreover, this publication does not define how the plugs should be optimally arranged to achieve an even current distribution, apart from a regular, symmetrical pattern which is shown in fig. 4-6 where 132 plugs are used. And due to the thermal forces and expansion/contraction, the solution of vertically arranged plugs according to this publication will have higher resistance due to the above-mentioned limited area for transfer of current and the corresponding high point current densities. The vertical holes in the carbon blocks can act as points of weakness where cracks can form, and if the number of plugs is increased to meet the power needs of today's large cells, it will worsen the situation even further.
I henhold til den foreliggende oppfinnelsen er det mulig å unngå de ovennevnte manglene. Den foreliggende oppfinnelsen omfatter bruk av vertikale strømledere med optimalisert utforming. Dessuten kan strømlederne (strømuttak) med fordel kobles elektrisk til horisontale samleskinneelementer som kan strekke seg delvis eller helt igjennom katodeblokken. I sistnevnte tilfelle kan ytterenden(e) kobles til strømskinnesystemet i cellen. Den foretrukne avsmalnende (kile- eller kjegleformede) utformingen av strømlederne har vist seg optimal med hensyn til utvidelse og bøying av samleskinneelementene, som normalt er av et strømledende metall. Vinkelen på det avsmalnende strømuttaket velges på grunnlag av betraktninger om mekanisk styrke, spenningsfall og varmetap, og ligger fortrinnsvis i intervallet 5-15° i forhold til det vertikale planet. According to the present invention, it is possible to avoid the above-mentioned shortcomings. The present invention includes the use of vertical current conductors with an optimized design. In addition, the current conductors (current outlets) can advantageously be electrically connected to horizontal busbar elements which can extend partially or completely through the cathode block. In the latter case, the outer end(s) can be connected to the busbar system in the cell. The preferred tapering (wedge- or cone-shaped) design of the current conductors has proven optimal with respect to expansion and bending of the busbar elements, which are normally made of a current-conducting metal. The angle of the tapered power outlet is chosen on the basis of considerations of mechanical strength, voltage drop and heat loss, and is preferably in the range of 5-15° in relation to the vertical plane.
Den foretrukne katodestrømfordelingen vil være avhengig av egenskapene til strømskinnesystemet. Hvis eksisterende strømskinnesystemer ombygges for å implementere oppfinnelsen til katodestrømfordelingen kan det være helt forskjellig fra fordelingen i en ny utforming av strømskinnesystemet. Derfor kan den foretrukne andelen av strømmen som ledes ut gjennom de loddrette uttakene ligge i intervallet 20-100 %, der 100 % svarer til en utforming med bare vertikale uttak. The preferred cathode current distribution will depend on the characteristics of the busbar system. If existing busbar systems are rebuilt to implement the invention, the cathode current distribution may be completely different from the distribution in a new design of the busbar system. Therefore, the preferred proportion of the current that is discharged through the vertical outlets can lie in the interval 20-100%, where 100% corresponds to a design with only vertical outlets.
Antall strømledere kan være forholdsvis lavt, for eksempel i en realisering med det vanlige antallet horisontale samleskinner. I henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan MHD-effektene i en elektrolysecelle forbedres, og det er mulig å forenkle strømskinneutformingen til den nevnte cellen ved å gjøre den lettere. Dermed kan investeringsutgiftene reduseres. The number of current conductors can be relatively low, for example in an implementation with the usual number of horizontal busbars. According to the present invention, the MHD effects in an electrolysis cell can be improved, and it is possible to simplify the busbar design of the said cell by making it lighter. Thus, investment costs can be reduced.
I henhold til den foreliggende oppfinnelsen, slik den er definert i de medfølgende patentkravene, kan det oppnås et optimalisert system for katodestrømfordeling som overvinner de viktigste manglene ved de kjente utformingene. Dessuten definerer de medfølgende patentkravene en framgangsmåte for å drive en celle med forbedret katodestrømfordeling. According to the present invention, as defined in the accompanying patent claims, an optimized system for cathode current distribution can be achieved which overcomes the most important shortcomings of the known designs. Moreover, the accompanying patent claims define a method of operating a cell with improved cathode current distribution.
Den foreliggende oppfinnelsen beskrives nedenfor med figurer og eksempler der: The present invention is described below with figures and examples where:
Figur 1 viser en utforming av en samleskinne i en elektrolysecelle som har Figure 1 shows a design of a busbar in an electrolysis cell which has
strømuttak i bunnen, power outlet at the bottom,
Figur 2 viser detaljer ved de vertikale samleskinneuttakene, Figure 2 shows details of the vertical busbar outlets,
Figur 3a-e viser forskjellige konfigurasjoner av samleskinnearrangementer. Figures 3a-e show different configurations of busbar arrangements.
Hensikten med utformingene som beskrives her er å oppnå et lavt fall i katodespenning og jevn eller flat strømfordeling ved overflaten av katodeblokken. Den tilsvarende utformingen av samleskinnen vil også muliggjøre et forenklet strømskinnesystem (lavere vekt og dermed billigere) sammenliknet med en konvensjonell utforming av samleskinnen. En nøkkelfaktor for et vellykket resultat er detaljene rundt de vertikale strøm uttakene. Under drift vil katodeblokken bøye og hive seg oppover. De vertikale samleskinnene må da også ha mulighet til å gli oppover, ellers vil de vertikale strømuttakene bli revet bort fra de vannrette samleskinnene. Figur 1 viser en utforming for en samleskinne i en elektrolysecelle 1 med anode-arrangementer 2, 3 og en katodeblokk 4. Figuren viser strømuttak i bunnen av cellen. Som vist i denne realiseringen av oppfinnelsen, kan cellen ha både vannrette 5, 5' og vertikale 6, 6' strømuttak. Figur 2 viser detaljer ved uttak til vertikale samleskinner. Figuren viser at uttaket har ett vertikalt uttak 25 som kobles til strømskinnesystemet i cellen (ikke framstilt på figuren). Det vertikale uttaket 25 er koblet til en horisontal samledet 23 som er innkapslet i én katodeblokk 4. De vertikale og de horisontale delene kan lages i ett stykke, for eksempel ved støping, eller produseres av to atskilte stykker som er koblet sammen ved sveising eller andre liknende sammenføyningsmetoder som gir god elektrisk ledningsevne. Delene kan bestå av stål eller et hvilket som helst annet egnet materiale. The purpose of the designs described here is to achieve a low drop in cathode voltage and uniform or flat current distribution at the surface of the cathode block. The corresponding design of the busbar will also enable a simplified busbar system (lower weight and thus cheaper) compared to a conventional design of the busbar. A key factor for a successful result is the details around the vertical power outlets. During operation, the cathode block will bend and lift upwards. The vertical busbars must then also be able to slide upwards, otherwise the vertical power outlets will be torn away from the horizontal busbars. Figure 1 shows a design for a busbar in an electrolysis cell 1 with anode arrangements 2, 3 and a cathode block 4. The figure shows the current outlet at the bottom of the cell. As shown in this embodiment of the invention, the cell can have both horizontal 5, 5' and vertical 6, 6' current outlets. Figure 2 shows details of outlets to vertical busbars. The figure shows that the outlet has one vertical outlet 25 which is connected to the busbar system in the cell (not shown in the figure). The vertical outlet 25 is connected to a horizontal assembly 23 which is enclosed in one cathode block 4. The vertical and the horizontal parts can be made in one piece, for example by casting, or produced from two separate pieces which are connected by welding or other similar joining methods that provide good electrical conductivity. The parts may consist of steel or any other suitable material.
Som vist på Figuren går det vertikale strømuttaket igjennom bunnen av katodestrukturen. Katodestrukturen innbefatter (ovenfra) én katodeblokk 4, to eller flere lag murstein 20-21 med passende termiske og kjemiske egenskaper, og katodekassen 22, som normalt er lagd av stålplater. Katodekassen kan ha en lavere seksjon i uttaksområdet (ikke framstilt på figuren). Det vertikale uttaket gjennomtrenger de forskjellige lagene i et hull eller en kanal. Utenfor det loddrette uttaket, som kan ha avsmalnende form, er det et beskyttende lag av karbonmateriale 27, med god motstandsdyktighet mot elektrolytten og reaktanter fra elektrolytten. Mellomrommet mellom det beskyttede vertikale uttaket og katodestrukturen kan fylles med et støpbart materiale 26 med god motstandsdyktighet mot kjemisk angrep fra elektrolytten eller reaktanter fra elektrolytten. As shown in the Figure, the vertical current outlet passes through the bottom of the cathode structure. The cathode structure includes (from above) one cathode block 4, two or more layers of bricks 20-21 with suitable thermal and chemical properties, and the cathode box 22, which is normally made of steel plates. The cathode box can have a lower section in the outlet area (not shown in the figure). The vertical outlet penetrates the different layers in a hole or channel. Outside the vertical outlet, which may have a tapered shape, there is a protective layer of carbon material 27, with good resistance to the electrolyte and reactants from the electrolyte. The space between the protected vertical outlet and the cathode structure can be filled with a castable material 26 with good resistance to chemical attack from the electrolyte or reactants from the electrolyte.
Et viktig trekk ved utformingen av loddrette uttak er at strømuttaket er innkapslet i karbonlaget 27 som bidrar til at uttaket kan gli inne i hullet eller kanalen som er fylt med støpbart materiale. An important feature of the design of vertical outlets is that the power outlet is encased in the carbon layer 27 which helps the outlet to slide inside the hole or channel which is filled with castable material.
Figur 3a-e viser forskjellige utforminger av samleskinner. Figure 3a-e shows different designs of busbars.
Fig. 3a viser én katodeblokk 4 skjematisk. Den viser tre samleskinner 30, 31 og 32 innkapslet i katodeblokken 4. Det er to horisontale uttak 30', 31' og ett vertikalt uttak 33. Fig. 3b viser to samleskinner 35, 36 innkapslet i en katodeblokk 4. Samleskinnene har horisontale uttak 35' og 36'. I tillegg har samleskinnen 36 ett vertikalt uttak 37. Fig. 3c viser fire samleskinner 40, 41, 43 og 45 innkapslet i en karbonblokk 4. Samleskinnene 45 og 40 har ett horisontalt uttak, henholdsvis 45' og 40'. Samleskinnene 41 og 43 har vertikale uttak, henholdsvis 42 og 44. Fig. 3d viser bare én samleskinne 50 innkapslet i en karbonblokk 4. Samleskinnen har ett horisontalt uttak 50' og ett vertikalt uttak 51. Fig. 3e viser en utforming for samleskinner der en samleskinne 60 er innkapslet i en katodeblokk 4. Samleskinnen 60 har to horisontale uttak 61', 61" og ett sentralt anbrakt vertikalt uttak 62. Fig. 3a shows one cathode block 4 schematically. It shows three busbars 30, 31 and 32 enclosed in the cathode block 4. There are two horizontal outlets 30', 31' and one vertical outlet 33. Fig. 3b shows two busbars 35, 36 enclosed in a cathode block 4. The busbars have horizontal outlets 35 ' and 36'. In addition, the busbar 36 has one vertical outlet 37. Fig. 3c shows four busbars 40, 41, 43 and 45 encased in a carbon block 4. The busbars 45 and 40 have one horizontal outlet, 45' and 40' respectively. Busbars 41 and 43 have vertical outlets, 42 and 44 respectively. Fig. 3d shows only one busbar 50 encased in a carbon block 4. The busbar has one horizontal outlet 50' and one vertical outlet 51. Fig. 3e shows a design for busbars where a busbar 60 is enclosed in a cathode block 4. Busbar 60 has two horizontal outlets 61', 61" and one centrally located vertical outlet 62.
Det skal forstås at det også kan oppnås andre kombinasjoner og arrangementer av horisontale og vertikale samleskinneuttak i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. It should be understood that other combinations and arrangements of horizontal and vertical busbar outlets can also be achieved in accordance with the present invention.
Ved det ovennevnte arrangementet er det mulig å arrangere samleskinnene i hver av de individuelle katodeblokkene helt eller delvis slik at loddrette og vannrette strømuttak kombineres på en måte som er fordelaktig med hensyn til å oppnå jevn strømfordeling i cellens katodestruktur. With the above arrangement, it is possible to arrange the busbars in each of the individual cathode blocks in whole or in part so that vertical and horizontal current outlets are combined in a way that is advantageous with regard to achieving uniform current distribution in the cathode structure of the cell.
Hvor mye strøm som fordeles gjennom de individuelle uttakene kan beregnes på forhånd og optimaliseres ved hjelp av designprogramvare og bekreftes ved forsøk. How much power is distributed through the individual outlets can be calculated in advance and optimized using design software and confirmed by testing.
Claims (13)
Priority Applications (12)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20064165A NO332480B1 (en) | 2006-09-14 | 2006-09-14 | Electrolysis cell and method of operation of the same |
| CA2660998A CA2660998C (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | An electrolysis cell and a method for operation of same |
| AU2007295188A AU2007295188B2 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell and method for operating the same |
| CN200780033956XA CN101680102B (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell and method for operating the same |
| NZ575484A NZ575484A (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell with vertical current outlet with taper |
| BRPI0716951-5A BRPI0716951B1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | METHOD FOR OPERATING AN ELECTROLYTIC CELL, AND, ELECTROLYTIC CELL |
| PCT/NO2007/000323 WO2008033034A1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell and method for operating the same |
| DE602007014229T DE602007014229D1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | ELECTROLYSIS CELL AND METHOD FOR THEIR OPERATION |
| AT07808629T ATE507325T1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | ELECTROLYSIS CELL AND METHOD FOR OPERATING IT |
| EA200900443A EA014744B1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell for production of aluminium |
| EP07808629A EP2066831B1 (en) | 2006-09-14 | 2007-09-12 | Electrolysis cell and method for operating the same |
| ZA200901822A ZA200901822B (en) | 2006-09-14 | 2009-03-13 | Eletrolysis cell and method for operating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20064165A NO332480B1 (en) | 2006-09-14 | 2006-09-14 | Electrolysis cell and method of operation of the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20064165L NO20064165L (en) | 2008-03-17 |
| NO332480B1 true NO332480B1 (en) | 2012-09-24 |
Family
ID=39184004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20064165A NO332480B1 (en) | 2006-09-14 | 2006-09-14 | Electrolysis cell and method of operation of the same |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2066831B1 (en) |
| CN (1) | CN101680102B (en) |
| AT (1) | ATE507325T1 (en) |
| AU (1) | AU2007295188B2 (en) |
| BR (1) | BRPI0716951B1 (en) |
| CA (1) | CA2660998C (en) |
| DE (1) | DE602007014229D1 (en) |
| EA (1) | EA014744B1 (en) |
| NO (1) | NO332480B1 (en) |
| NZ (1) | NZ575484A (en) |
| WO (1) | WO2008033034A1 (en) |
| ZA (1) | ZA200901822B (en) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO331318B1 (en) | 2007-04-02 | 2011-11-21 | Norsk Hydro As | Procedure for operation of electrolysis cells connected in series as well as busbar system for the same |
| FR2977898A1 (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-18 | Rio Tinto Alcan Int Ltd | ALUMINERY COMPRISING CATHODIC EXIT TANKS THROUGH THE BOTTOM OF THE HOUSING AND TANK STABILIZATION MEANS |
| WO2013007894A2 (en) | 2011-07-12 | 2013-01-17 | Rio Tinto Alcan International Limited | Aluminium smelter comprising electrical conductors made from a superconducting material |
| CN102925926A (en) * | 2011-08-10 | 2013-02-13 | 贵阳铝镁设计研究院有限公司 | Step type paste bundling cathode structure |
| EP2971270B1 (en) * | 2013-03-13 | 2022-11-16 | Elysis Limited Partnership | Systems and methods of protecting electrolysis cells |
| CN103981540B (en) * | 2014-05-28 | 2016-07-06 | 中南大学 | A kind of aluminum electrolytic bath composite cathode structure containing high connductivity back bone network |
| NO20180369A1 (en) * | 2018-03-14 | 2019-09-16 | Norsk Hydro As | Cathode elements for a Hall-Héroult cell for aluminium production and a cell of this type having such elements installed |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB816587A (en) * | 1957-01-17 | 1959-07-15 | Ind De L Aluminium Sa | Improvements relating to electrolytic cells for the production of aluminium |
| DE1187809B (en) | 1963-11-22 | 1965-02-25 | Vaw Ver Aluminium Werke Ag | Electrolysis cell for the production of aluminum by melt flow electrolysis |
| DE2833381A1 (en) * | 1978-07-29 | 1980-02-14 | Sigri Elektrographit Gmbh | Electrolysis cell for winning aluminium - where carbon cathode hearth is connected to bus=bars via spaced graphite pegs increasing the efficiency of aluminium prodn. |
| AU541218B2 (en) * | 1979-11-07 | 1984-12-20 | Aluminium Pechiney | Process and device for suppressing magnetic disturbances in electrolytic cells |
| DE3004071A1 (en) * | 1979-12-21 | 1981-07-02 | Schweizerische Aluminium AG, 3965 Chippis | Cathode bus=bars for mfg. aluminium in electrolysis cells - where bus=bars are divided into two lengths to reduce voltage drop between adjacent cells |
| EP0095854B1 (en) * | 1982-05-28 | 1987-08-19 | Alcan International Limited | Improvements in electrolytic reduction cells for aluminium production |
| GB8331769D0 (en) * | 1983-11-29 | 1984-01-04 | Alcan Int Ltd | Aluminium reduction cells |
| SU1444402A1 (en) * | 1986-12-29 | 1988-12-15 | Иркутский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектного Института Алюминиевой,Магниевой И Электродной Промышленности | Electrolyzer for producing aluminium |
| NO164721C (en) * | 1988-06-06 | 1990-11-07 | Norsk Hydro As | ASSEMBLY OF SKIN SYSTEMS ON LARGE TRANSFERRED ELECTRIC OVERS. |
-
2006
- 2006-09-14 NO NO20064165A patent/NO332480B1/en unknown
-
2007
- 2007-09-12 CN CN200780033956XA patent/CN101680102B/en active Active
- 2007-09-12 EP EP07808629A patent/EP2066831B1/en active Active
- 2007-09-12 WO PCT/NO2007/000323 patent/WO2008033034A1/en active Application Filing
- 2007-09-12 EA EA200900443A patent/EA014744B1/en not_active IP Right Cessation
- 2007-09-12 AU AU2007295188A patent/AU2007295188B2/en active Active
- 2007-09-12 BR BRPI0716951-5A patent/BRPI0716951B1/en active IP Right Grant
- 2007-09-12 AT AT07808629T patent/ATE507325T1/en not_active IP Right Cessation
- 2007-09-12 NZ NZ575484A patent/NZ575484A/en unknown
- 2007-09-12 DE DE602007014229T patent/DE602007014229D1/en active Active
- 2007-09-12 CA CA2660998A patent/CA2660998C/en active Active
-
2009
- 2009-03-13 ZA ZA200901822A patent/ZA200901822B/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2007295188A1 (en) | 2008-03-20 |
| WO2008033034A1 (en) | 2008-03-20 |
| CA2660998A1 (en) | 2008-03-20 |
| ZA200901822B (en) | 2010-04-28 |
| EA200900443A1 (en) | 2009-08-28 |
| EP2066831B1 (en) | 2011-04-27 |
| NO20064165L (en) | 2008-03-17 |
| BRPI0716951A2 (en) | 2013-10-29 |
| EA014744B1 (en) | 2011-02-28 |
| CN101680102A (en) | 2010-03-24 |
| CN101680102B (en) | 2011-11-09 |
| EP2066831A4 (en) | 2009-11-04 |
| CA2660998C (en) | 2013-11-12 |
| ATE507325T1 (en) | 2011-05-15 |
| NZ575484A (en) | 2011-01-28 |
| EP2066831A1 (en) | 2009-06-10 |
| AU2007295188B2 (en) | 2011-07-28 |
| BRPI0716951B1 (en) | 2018-06-05 |
| DE602007014229D1 (en) | 2011-06-09 |
| WO2008033034A8 (en) | 2009-04-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO332480B1 (en) | Electrolysis cell and method of operation of the same | |
| RU2449058C2 (en) | Electrolyser for aluminium production provided with voltage drop decreasing means | |
| NO20130672A1 (en) | Cathode structure, aluminum electrolysis cell and method for reducing horizontal electric current in liquid aluminum | |
| WO2006033578A1 (en) | A method for electrical connection and magnetic compensation of aluminium reduction cells, and a system for same | |
| AU2008318268B2 (en) | Composite collector bar | |
| NO143849B (en) | PROCEDURE AND DEVICE FOR SUPPLY OF ELECTRIC CURRENT TO TRANSFERRED MELT ELECTRICAL CELLS | |
| US11286574B2 (en) | Cathode current collector/connector for a Hall-Heroult cell | |
| WO2009070961A1 (en) | A method for avoiding the horizontal current in the aluminum pad of an aluminum electrolytic cell | |
| NO151374B (en) | TRANSMITTED ELECTROLYCLE CELL FOR ALUMINUM MANUFACTURING | |
| NO150364B (en) | DEVICE FOR IMPROVING THE ELECTRIC CELL POWER SUPPLY FOR ALUMINUM MANUFACTURING | |
| CA2681205C (en) | Improvements relating to electrolysis cells connected in series and a method for operation of same | |
| RU2385364C1 (en) | Anode current conductor of aluminium electrolytic cell | |
| CN103608489A (en) | Electrolysis cell intended to be used to produce aluminium | |
| CN102268695A (en) | Plate-type cathode current collecting aluminum electrolysis tank | |
| CN114182303A (en) | Electrolytic cell, in particular for the production of aluminium |