NO790378L - Anordning for absorbsjon av vertikale magnetiske feltlinjer i elektrolyseceller - Google Patents

Description

Anordning for absorpsjon av vertikale

magnetiske feltlinjer i elektrolyseceller.

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning for absorpsjon

av vertikale magnetiske feltlinjer i elektrolyseceller, særlig 1 celler for fremstilling av aluminium.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd, oppløses oksyden i en fluoridsmelte som hovedsakelig består av kryolitt (Na^AlF^). Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på karbonbunnen av cellen, således at overflaten av det flytende aluminium danner katode. Overflate-nivået av det aluminium som befinner seg i cellen, stiger 1,5 - 2 cm pr. dag og fjernes vanligvis 1 gang daglig fra cellen ved hjelp av en sugeanordning.

I smeiten er det ved den vanlige utvinningsprosess ovenfra neddykket anoder av amorft karbon, som tilfører fluoridsmelten likestrøm. Ved elektrolytisk spalting av aluminiumoksydet ut-vikles det ved anodene oksygen, som reagerer med karbon i anodene til dannelse av CO eller C02. Når en karbonanode er forbrukt utbyttes denne med en ny anode.

Smelteelektrolyse av aluminium finner sted i et temperatur-område fra ca. 940 til 975°C.

De anvendte strømstyrker for de seriekoblede elektrolyseceller, som ofte for korthets skyld kalles ovnen, er herunder for det meste av en størrelsesorden på 100 - 200 kA (kiloampere). Ved sådanne strømstyrker utgjør overflaten av det flytende aluminium som befinner seg på ovnens bunn ingen horisontal overflate.

Ved gjensidig påvirkning mellom de frembrakte magnetfelt og horisontale strømkomponenter vil det smeltede metall påvirkes av elektromotoriske krefter som kan frembringe sterke nivå-forandringer og- bevegelser, som kan være av en størrelsesorden på flere cm.

Såvel nivåvariasjonene som bevegelsene i det flytende metall har en ugunstig innvirkning på aluminiumfremstillingens drifts-økonomi av følgende grunner: Avstanden mellom anodene og aluminiumoverflaten som danner katode, må holdes større enn det ellers ville være nødven-dig, hvilket fører til forhøyet spenningsfall og derfor høyere energiforbruk.

Elektrolysekarets foring oppviser et større materialforbruk og sterkere nedslitning. Det kan også oppstå riss eller hull, som gjør det nødvendig med tidligere utskifting av foringen eller eventuelt en reparasjon. Dette er meget uheldig, da det i tillegg til arbeids- og materialomkostningene også kommer en driftsstans.

Det er derfor i lengere tid gjort forsøk på å nedsette bevegelsene og nivåvariasjonene i det flytende elektrolysemetall til et minimum eller hvis mulig helt eliminere disse ulemper.

De første anstrengelser har herunder konsentrert seg om å oppnå en mest mulig ensartet strømfordeling mellom anodene og katoden. På sin vei fra karbonanodene til ovnens karbonbunn flyter like-strømmen først gjennom fluoridsmelten som danner cellens elektrolytt og deretter gjennom det flytende metall. Den elektriske motstand i elektrolytten er uten sammenligning meget høyere enn i karbon og særlig i metallet. Det er derfor forholdsvis lett å holde strømretningen vertikal i elektrolytten.

I det flytende metall oppstår det derimot ved siden av de ønskede vertikale strømkomponenter, som er nødvendige for elek-trolysen, også uønskede horisontale strømkomponenter.

I tillegg frembringer strømlederne, som, slik det allerede er omtalt, fører meget sterke strømmer, kraftige magnetfelt. De vertikale feltlinjer av disse magnetfelt frembringer i det smeltede aluminium elektromotoriske krefter i horisontal retning.

Elektrolysecellene oppbygges vanligvis inne i et stålkar. Dette magnetisk ledende konstruksjonsmaterial formår delvis å avskjerme det indre av ovnen fra de magnetfelter som frembringes utenfor ovnen.

I henhold til DE-PS 1.083.554 gjøres det forsøk på å undertrykke og/eller holde konstant de vertikale komponenter av de magnetfelter som frembringes av den strøm som flyter i vertikal retning og jevnt fordelt over elektrolysecellens samlede overflate. Den metalloverflate som gjør tjeneste som katode, tilpasses herunder anodene og en størst mulig andel av de horisontale samle-skinner anordnes slik at de dekker en størst mulig flate.

Fra DE-PS 1.143.032 er det kjent å oppheve virkningen av de magnetiske felt som skriver seg fra de ytre ledere, ved at det mellom ytterlederne og badet anordnes ytterligere jern. Skjønt den varme som frembringes i ovnen kan påvirkes, foreligger det intet som tyder på at metallbevegelser kan forhindres.

Endelig påvirkes i henhold til DE-AS 2.213.226 de magnetiske felter ved cellens sider og ytterender ved anordning av ytterligere magnetiske ledere i forbindelse med elektrolysecellen. Disse magnetiske ledere som strekker seg i vertikal retning,

er adskilt innbyrdes og fra elektrolysecellens elektriske system samt anordnet i eller på celleveggen mellom det flytende lett-metallskikt og de -ytre strømledere. Dette betyr at de ender i magnetisk ikke ledende karbonmaterial.

Alle de ovenfor angitte kjente anordninger oppviser imidlertid den ulempe at de krever en forholdsvis omfangsrik og kostbar oppbygning, og dessuten kan de ikke anbringes på plass uten ny oppbygging eller ombygging av ovnen.

På denne bakgrunn er det derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en anordning for absorpsjon av vertikale magnetiske feltlinjer i elektrolyseceller, og som er av enkel konstruktiv utførelse og uten driftsavbrytelse kan anbringes på allerede eksisterende ovner.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at anordningen ut-gjøres av cellens elektrolysekar av stål og en magnetisk tilkoblet tildekning av cellens overside og bestående av metall med høy magnetisk ledningsevne samt ensartet virkning over hele cellens grunnriss.

Den magnetiske tilkobling av nevnte tildekning til cellens elektrolysekar er av grunnleggende betydning, da derved på den ene side det stålkar som i alle tilfeller er nødvendig for ovnen, kan anvendes som en del av den magnetiske avskjerming,

og på den annen side avskjermingen i sin helhet får samme poten-sial .

Som avskjerming anvendes et ferromagnetisk metall, fortrinnsvis jern eller stål. Skjønt også kobolt og nikkel såvel som deres legeringer kan anvendes, kommer disse materialer av omkostnings-grunner ikke i betraktning i vanlig praksis.

Av hensyn til miljøvern og arbeidsplasshygiene er for nærværende en ovnskapsling stadig mer påkrevet. Innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse kan det anvendes en gasshette av kjent art som består av en midttildekning og en sidetildekning samt er anordnet mellom anodebæreren og anodehodene, forutsatt at gass-hetten er magnetisk koblet til elektrolysekaret og er elektrisk isolert fra anodestengene. Midttildekningen kan være direkte koblet til elektrolysekaret og/eller til sidetildekningen.

Ved ovner som er innrettet for mellombetjening eller med såkalt "Point-feeding"-system, kan midttildekningen som ligger mellom anoderekkene, være helt eller delvis erstattet av en aluminiumoksydbeholder, silo eller lignende. Herav følger av seg selv at denne silo også må være magnetisk koblet til elektrolysekaret og/eller sidetildekningen.

Ved ikke tilkapslede ovner kan det mellom anodebæreren og anode-legemene være anordnet et grovmasket gitter av et magnetisk godt ledende material, som er magnetisk koblet til elektrolysekaret og ikke befinner seg i berøring med deler av ovnen som befinner seg på anodepotensial. Av praktiske grunner, hvilket vil si særlig av hensyn til utveksling av anodene, oppviser gitteret et raster som i det minste tilsvarer dimensjonene av de anoder som skal innsettes. Dette gitter må også være massivt oppbygget, da det ellers kan skades av slag fra anoder som tas ut av eller settes inn i cellen.

Som særlig fordelaktig har det vist seg å anbringe minst et

åk som strekker seg over elektrolysekarets samlede lengde på oversiden av området mellom anoderekkene, i en høyde horisontalt mellom anodebæreren og anodehodene. Hvis det anvendes et eneste sådant åk, bør dette, fortrinnsvis ligge i midtplanet mellom anoderekkene. Ved anvendelse av to åk kan disse ligge på hver sin side av midtplanet og umiddelbart ved siden av hinannen.

Åkenes tverrsnitt, og forøvrig også gitterstavenes,kan ha en hvilken som helst hensiktsmessig form, og kan f.eks. utgjøres av runde, rektangulære eller andre full- eller hulprofiler, plater eller blikk. Fortrinnsvis anvendes imidlertid rør som kan ha en ytre diameter på 5 - 15 cm, særlig 7-10 cm. Rørenes veggtykkelse bør være av størrelsesorden 1 til flere cm, i betraktning av kravene til mekanisk fasthet.

Åkene kan være utstyrt med tverrforsatser med samme eller av-vikende tverrsnitt. Disse tverrforsatser som fortrinnsvis for-løper rettvinklet ut fra åket, er utformet slik at de på den ene side bidrar til å forbedre den magnetiske avskjerming, samtidig som de på den annen side ikke hindrer cellebetjeningen. Skjønt disse tverrforsatser vanligvis ligger i åkenes horisontalplan, kan de imidlertid også avvike oppover eller<*>nedover i en vinkel opptil 45°. De nevnte åk som forløper i cellens lengderetning, kan imidlertid også erstattes med åk som strekker seg over hele elektrolysecellens bredde. Sådanne åk som vanligvis er anordnet enkeltvis, ligger i midtplanet mellom to nabo-anoder. Alt etter behov kan det være anordnet åk i hvert midt-

plan mellom de respektive anoder, eller også i annethvert midt-plan eller hvert tredje sådant plan osv. Antall åk kan ned-settes i den grad avskjermingen fremdeles er virksom over hele elektrolysecellens utstrekning. Alle øvrige angivelser med hensyn på åkene i lengderetningen, slik som høyde, tverrforsatser og tverrsnittsform, gjelder også for åk som forløper over ovnens bredde.

Alle de beskrevede magnetiske tildekninger for ikke kapslede ovner kan monteres under full drift av elektrolysecellen. Den magnetiske tilkobling til elektrolysekaret, som samtidig kan gjøre tjeneste som magnetisk feste, kan gjøres løsbar ved hjelp av skruer, klemmer e.l. eller uløsbar ved hjelp av niting, sveising eller lignende.

Gitterne eller åkene i henhold til oppfinnelsen kan samtidig være bærerist for oksydsiloer eller innslagsanordninger, idet tilfelle det gjelder mellombetjente eller punktbetjente ovner (sveitsisk patentansøkning nr. 7956/77). Det vil være selv-innlysende at de innretninger som monteres på bæreristen må være isolert mot de anodekoblede deler av ovnen.

Ved den enkle magnetiske tildekning i henhold til oppfinnelsen, f.eks. med enkelt eller dobbelt åk i cellens lengderetning over midten av anoderekkene, kan det overraskende oppnås en høy virkningsgrad, idet det minst kan innspares en spenning på 50 mV pr. celle, hvilket fører til en tilsvarende nedsettelse av prisen for råaluminium.

Sammenfatningsvis har oppfinnelsens anordning ved enkel oppbygning og montering som ikke forstyrrer ovnens drift, følgende fordeler: Nedsatt energiforbruk på grunn av roligere ovnsdrift

(mindre hyppige svingninger);

høyere strømutbytte takket være lavere temperaturer og roligere ovnsdrift;

lavere flussmiddelforbruk;

lavere anodeforbruk.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførel-seseksempler og under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser i vertikalt snitt en elektrolysecelle med gass-

hette som gjør tjeneste som magnetisk avskjerming;

Fig. 2 og 3 viser i vertikalt lengde- og tverrsnitt en elektrolysecelle med magnetisk avskjerming i form av en plate som forløper i cellens lengderetning; og Fig. 4 og 5 viser en elektrolysecelle av samme art som vist i fig. 2 og 3, men med magnetisk avskjerming i form av rør som forløper i cellens bredderetning. Figurene 1-5 viser en del av en elektrolysecelle. Stålkaret 12, som er foret med en termisk isolasjon 13 av varmebestandig, varmedemmende material samt med karbonmaterial 11, inneholder elektrolyttens fluoridsmelte 10. Det katodisk utskilte aluminium 14 ligger på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av det flytende aluminium utgjør cellens katode. I foringen 11 av karbonmaterial er det på tvers av cellens lengderetning innlagt jernskinner 17 som sørger for å føre den elektriske likestrøm fra karbonforingen 11 sideveis ut fra cellen. I fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbon for føring av likestrøm inn i elektrolytten. Anodene er fast forbundet med strømlederbjeiken 21 gjennom strømlederskinner 19

og festeinnretninger 20. Strømmen flyter fra katodeskinnene 17 i en første celle til anodebjelken eller anodebæreren 21 i den påfølgende celle gjennom vanlige, ikke inntegnede strøm-skinner. Fra anodebjelken 21 flyter strømmen gjennom strøm-lederskinnene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonforingen 11 til katodeskinnene 17. Elektrolytten 10 er dekket av en skorpe 22 av størknet smelte

samt et aluminiumoksydskikt23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10 og den størknede skorpe 22 oppstår det hulrom under drift av cellen. På sideveggene av karbonforingen 11 danner det seg også en skorpe av størknet elektrolytt, nemlig skorpe-randen. Denne rand er medbestemmende for den horisontale utstrekning av badet av flytende aluminium 14 og elektrolytten 10.

Avstanden d fra undersiden 24 av anodene til aluminiumoverflaten 16, også kalt interpolaravstanden, kan forandres ved hevning og senkning av anodebjeikene 21 ved hjelp av heveverket 25,

som er montert på søyler 26. Ved hjelp av heveverket 25 kan samtidig alle anoder heves eller senkes. I tillegg kan de for-skjellige anoder innstilles hver for seg i høydestilling ved hjelp av festeinnretninger 20 anordnet på anodebjelken 21.

Strømskinnene 30, som ligger på utsiden av elektrolysecellen, fører elektrisk strøm til anodebjelken i den påfølgende celle.

Den gasshette som er vist i fig. 1, består av sidetildekningen 31, som ved 32 er magnetisk koblet til elektrolysekaret 12

samt er elektrisk isolert mot anodebæreren 19 ved 33, og midttildekningen 34, som også er elektrisk isolert mot anodebæreren 19 ved 33. Midttildekningen 34 er magnetisk koblet til elektrolysekaret 12 og/eller sidetildekningen 31.

Som allerede omtalt, kan midttildekningen 31 være helt eller delvis erstattet av en oksydsilo, og den kan også dessuten være erstattet av en opphengningsinnretning eller en gassavsugningskanal.

I fig. 2 og 3 er den magnetiske avskjerming utformet som en tosidig avbøyet plate 35, som ved 32 er forbundet med elektrolyse karet. Denne plate har en høydestilling omtrent halvveis mellom anodehodene 18 og anodebæreren 31.

I fig. 4 og 5 dannes den magnetiske avskjerming av rør 36 som forløper over hele elektrolysecellens bredde og er avbøyet på begge sider. Rørene er ved begge ender av anoderekkene og etter annenhver anode ved 32 forbundet med elektrolysekaret 12. Disse rør forløper også omtrent midt i mellom anodehodene 18 og anodebjelken 21.

Claims (10)

1. Anordning for absorpsjon av vertikale magnetiske feltlinjer

i elektrolyseceller, karakterisert ved at anordningen utgjøres av cellens elektrolysekar av stål og en magnetisk tilkoblet tildekning av cellens overside og bestående av metall med høy magnetisk ledningsevne samt ensartet virkning over hele cellens grunnriss.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at en gasshette (31, 34) som forløper mellom anodebæreren (21) og anodehodene (18) samt er elektrisk isolert mot anodene, er magnetisk koblet til elektrolysekaret (12).

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at midttildekningen (34) mellom anoderekkene er erstattet av en aluminiumoksydbeholder, en holdeinnretning eller en gassavsugningskanal som er magnetisk koblet til elektrolysekaret og elektrisk isolert mot anodene.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at tildekningen består av et grovmasket gitter som ligger i et horisontalplan mellom anodebæreren (21) og anodehodene (18), og hvis maskevidde ved innsetning av f ori-nnbrente anoder i det minste tilsvarer anode-dimensjonene.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at tildekningen omfatter minst et åk som ligger i et horisontalplan mellom anodebæreren (21) og anodehodene (18) og strekker seg på oversiden av området mellom anoderekkene over elektrolysekarets hele lengde.

6. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at tildekningen består av åk som ligger på oversiden av området mellom anodene og strekker seg over elektrolysekarets hele bredde i et horisontalplan mellom anodebæreren (21) og anodehodene (18).

7. Anordning som angitt i krav 4-6, karakterisert ved at gitterne eller åkene utgjøres av helprofiler, hulprofiler, plater eller blikk.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at hulprofilene utgjøres av rør med ytre diameter på 5 - 15 cm, fortrinnsvis 7-10 cm.

9. Anordning som angitt i krav 5-8, karakterisert ved at åkene er forsynt med tverrforsatser, fortrinnsvis av samme geometriske form som åkenes tverrsnitt.

10. Anordning som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at tildekningen er utført i jern eller stål.