NO801022L - ANODE COMPOSITION. - Google Patents
ANODE COMPOSITION.Info
- Publication number
- NO801022L NO801022L NO801022A NO801022A NO801022L NO 801022 L NO801022 L NO 801022L NO 801022 A NO801022 A NO 801022A NO 801022 A NO801022 A NO 801022A NO 801022 L NO801022 L NO 801022L
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- aluminum
- anode
- reducing agent
- compound
- electrolyte
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 49
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 248
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 197
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 97
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 93
- -1 aluminum compound Chemical class 0.000 claims description 86
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 82
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 77
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 68
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 61
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 40
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 36
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 33
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 28
- 238000004939 coking Methods 0.000 claims description 25
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 24
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 23
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 22
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 21
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims description 20
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 19
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 19
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 claims description 18
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 16
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 15
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 14
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 13
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910001570 bauxite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims description 10
- 239000011269 tar Substances 0.000 claims description 10
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 claims description 8
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 8
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 8
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 8
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 8
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 8
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 8
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 6
- 239000004927 clay Substances 0.000 claims description 5
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000008040 ionic compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 4
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 3
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 claims 3
- 239000000025 natural resin Substances 0.000 claims 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 3
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 claims 3
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 claims 3
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 claims 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims 1
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 claims 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 107
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 38
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 38
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 21
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 18
- 229940063656 aluminum chloride Drugs 0.000 description 16
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 15
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 12
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 11
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 9
- 239000002585 base Substances 0.000 description 6
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 6
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 4
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 2
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 2
- 235000011148 calcium chloride Nutrition 0.000 description 2
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- ONBQEOIKXPHGMB-VBSBHUPXSA-N 1-[2-[(2s,3r,4s,5r)-3,4-dihydroxy-5-(hydroxymethyl)oxolan-2-yl]oxy-4,6-dihydroxyphenyl]-3-(4-hydroxyphenyl)propan-1-one Chemical compound O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1OC1=CC(O)=CC(O)=C1C(=O)CCC1=CC=C(O)C=C1 ONBQEOIKXPHGMB-VBSBHUPXSA-N 0.000 description 1
- IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 2,2,3,3,3-pentafluoropropanal Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)C=O IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018626 Al(OH) Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004131 Bayer process Methods 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical compound O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001508 alkali metal halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910001615 alkaline earth metal halide Chemical class 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011233 carbonaceous binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 1
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 1
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 description 1
- 229940126142 compound 16 Drugs 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052943 magnesium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019341 magnesium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005426 magnetic field effect Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- WHOPEPSOPUIRQQ-UHFFFAOYSA-N oxoaluminum Chemical compound O1[Al]O[Al]1 WHOPEPSOPUIRQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IVQODXYTQYNJFI-UHFFFAOYSA-N oxotin;silver Chemical compound [Ag].[Sn]=O IVQODXYTQYNJFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 150000002989 phenols Chemical class 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000011176 pooling Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000012260 resinous material Substances 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 238000010850 salt effect Methods 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- ZWYDDDAMNQQZHD-UHFFFAOYSA-L titanium(ii) chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ti+2] ZWYDDDAMNQQZHD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 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
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
- C25C3/12—Anodes
- C25C3/125—Anodes based on carbon
-
- 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
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)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Description
Generell beskrivelse av oppfinnelsen General description of the invention
Foreliggende oppfinnelse vedrører et system for elektrolytisk fremstilling av-aluminium fra en rekke råmaterialer R som inneholder aluminium i et lavtemperaturs elektrolytisk bad B. Basis for oppfinnelsen er en enestående anode A som den eneste kilde for det aluminium som påføres katoden H. Anoden A omfatter en kombinasjon av en aluminiumholdig kilde som vanligvis inneholder aluminiumoksyd, Al^O^jog et reduserende middel så som karbon. Ledere D kan tilføres anoden for å øke ledningsevnen-i anoden og et membran M kan benyttes for å inneholde råmaterialene R. The present invention relates to a system for the electrolytic production of aluminum from a number of raw materials R containing aluminum in a low-temperature electrolytic bath B. The basis of the invention is a unique anode A as the only source of the aluminum applied to the cathode H. The anode A comprises a combination of an aluminum-containing source that usually contains aluminum oxide, Al^O^, and a reducing agent such as carbon. Conductors D can be supplied to the anode to increase the conductivity of the anode and a membrane M can be used to contain the raw materials R.
En elektrolytisk celle C som inneholder anoden A og katode H kan ha en rekke strukturelle former med elektroder med skråttstilte vegger eller elektroder med vertikale vegger. I den foretrukne utførelse, er elektroder med skrå vegger mer økonomiske og praktiske når de benyttes ved lave temperaturer med den enkeltstående anode. An electrolytic cell C containing the anode A and cathode H can have a variety of structural forms with electrodes with inclined walls or electrodes with vertical walls. In the preferred embodiment, inclined wall electrodes are more economical and practical when used at low temperatures with the single anode.
Det elektrolytiske bad B kan være sammensatt av klorider eller fluorider eller blandinger av disse og krever ikke en første tilsats av aluminiumsalt til bad. I en form av oppfinnelsen, aluminiumklorid-syklusen, er aluminiumklorid tilstede i bad, og holdes ved konstant konsentrasjon på grunn av reaksjon av den sammensatte anode A i badet for å fremstille aluminiumioner for reduksjon på katoden. I en annen utførelse, hvor man bruker et bad som bare inneholder fluorider, ioniseres også aluminium ved anoden A for påføring på katoden H. The electrolytic bath B may be composed of chlorides or fluorides or mixtures thereof and does not require an initial addition of aluminum salt to the bath. In one form of the invention, the aluminum chloride cycle, aluminum chloride is present in the bath, and is maintained at a constant concentration due to reaction of the composite anode A in the bath to produce aluminum ions for reduction at the cathode. In another embodiment, where a bath containing only fluorides is used, aluminum is also ionized at the anode A for application to the cathode H.
Detaljert beskrivelse av oppfinnelsenDetailed description of the invention
De elektrolytiske cellerThe electrolytic cells
Det elektrolytiske system ifølge oppfinnelsen benytter en elektrolytisk .celle C, som er fremstilt i en av figurene for den enestående, kontinuerlige fremstilling av aluminium. " «•-<->The electrolytic system according to the invention uses an electrolytic cell C, which is produced in one of the figures for the unique, continuous production of aluminium. " «•-<->
I figurene 1-6 er en form en elektrolytisk celle-struktur generelt vist ved 10 sammensatt av et ytre stålskall med et ildfast belegg lk som bare kan tjene som termiske iso-later eller både som isolator og elektrode. Den ildfaste foringen kan være av et hvilket som helst materiale som ex°mot-standsdyktig overfor påvirkning av det smeltede, elektrolytiske bad l6. Den ildfaste foringen ved konvensjonelle, vertikale sider 15 og en bunn 17 er konstruert slik at den ønskede termiske balanse opprettholdes i cellen under driften og er derfor meget tynne i tverrsnitt for å frembringe en liten termisk gradient, noe som fører både til et tynt lag størknet salt på overflaten av ildfast-foringen og en varm ytre vegg på overflaten av stålskalret 12. Ildfast-foringen kan også være ganske tykk for å få et størknet saltlag på innsiden av den ildfaste foringen, noe som fører til en kald overflate på stål-skallet selv om dette ikke er nødvendig i cellen med vertikale vegger i figurene 1-6. I motsetning til dette, er katoden 19 en ledende foring som er lagt på begge sider av anoden i elektrodecellen med skråttstilte vegger, vist i figur 7«En termisk og elektrisk isoleringsforing kan plasseres mellom katoden 19 og skallet 12 hvis dette ønskes. Størknings linjen bør være innenfor grensene for den ledende foringen eller katoden 19 for å hindre at det oppsamles et fast saltlag på bad-siden av elektroden. Et slikt saltlag vil virke som en elektrisk insulator og hindre effektiv strømføring. In Figures 1-6, one form is an electrolytic cell structure generally shown at 10 composed of an outer steel shell with a refractory coating 1k which can serve only as thermal insulators or as both insulator and electrode. The refractory lining can be of any material that is ex° resistant to the influence of the molten electrolytic bath 16. The refractory lining at conventional, vertical sides 15 and a bottom 17 are constructed so that the desired thermal balance is maintained in the cell during operation and are therefore very thin in cross-section to produce a small thermal gradient, which leads both to a thin layer solidified salt on the surface of the refractory lining and a hot outer wall on the surface of the steel shell 12. The refractory lining can also be quite thick to get a solidified layer of salt on the inside of the refractory lining, leading to a cold surface on the steel shell although this is not necessary in the cell with vertical walls in Figures 1-6. In contrast, the cathode 19 is a conductive liner placed on both sides of the anode in the inclined wall electrode cell, shown in Figure 7. A thermal and electrical insulating liner may be placed between the cathode 19 and the shell 12 if desired. The solidification line should be within the boundaries of the conductive liner or cathode 19 to prevent a solid salt layer from collecting on the bath side of the electrode. Such a salt layer will act as an electrical insulator and prevent effective current flow.
Lokket 18 på toppen av cellen danner .en luft-tett lukning og er bare nødvendig i bad som inneholder klor. Dette lokket hindrer således at luft og fuktighet trenger inn i cellen eller at eventuelle damper av saltforbindelsen 16 lekker ut og påvirker det omgivende miljø. Lokk 18 kan være foret med ildfast materiale 20 som kan være det samme som den ildfaste foringen lk eller et hvilket som helst annet ildfast materiale som er forenlig med at temperaturbalansen i cellen opprettholdes og er kjemisk inert overfor saltpreparatet 16. Pakninger 22 er festet på lokket 18 og mot elektrodene 2k og The lid 18 on top of the cell forms an air-tight closure and is only necessary in baths containing chlorine. This lid thus prevents air and moisture from entering the cell or any vapors of the salt compound 16 leaking out and affecting the surrounding environment. Lid 18 can be lined with refractory material 20 which can be the same as the refractory lining lk or any other refractory material which is compatible with maintaining the temperature balance in the cell and is chemically inert to the salt preparation 16. Gaskets 22 are attached to the lid 18 and towards the electrodes 2k and
25 og 26 for å hindre at atmosfærisk luft og fuktighet trenger inn i cellen og at damper fra cellen går ut til det omgivende miljø. Forseglingen av lokk 18 og rundt elektrodene kan være ved hvilke som helst innretninger som hindrer at damp lekker ut og kan være standard eller konvensjonelt pakningsmateriale som er i stand til å motstå temperaturene under driften samtidig som de er motstandsdyktige overfor elektrolytt-dåmpene. Akseptable materialer for slike pakninger omfatter asbest, fibrøse,.kjeramiske materialer, teflon, vitron, silikoner, flytende metallforseglingér, så som kvikksølv, flytende lodde-materialer, tinn, bly etc. 25 and 26 to prevent atmospheric air and moisture from entering the cell and vapors from the cell escaping to the surrounding environment. The sealing of lid 18 and around the electrodes may be by any means that prevents vapor from leaking out and may be standard or conventional packing material capable of withstanding the temperatures during operation while being resistant to the electrolyte vapors. Acceptable materials for such gaskets include asbestos, fibrous, ceramic materials, teflon, vitron, silicones, liquid metal sealants such as mercury, liquid solder materials, tin, lead etc.
Elektrodene 2k, 25 og 26 kan være anoder, katoder eller bipolare elektroder. De kan omfatte faste eller belagte ledere for å føre elektrisk strøm for celledriften. " Disse lederne kan være av et hvilket som helst materiale som kan motstå temperaturen i cell-en som er i området 150° til 1060°C, stabile overfor halogenide preparatet 16 og gode elektriske ledere. Materialer som er nyttige for dette formål er karbon, grafitt og titan-karbider, nitrider eller borider og aluminium-metall behandlet på passende måte for varmeoverføringsbalanse. De foretrukne materialer for disse ledere har vist seg å være grafitt og titan-diklorid når man opererer på bipolar måte. The electrodes 2k, 25 and 26 can be anodes, cathodes or bipolar electrodes. They may include solid or coated conductors to carry electrical current for cell operation. " These conductors may be of any material capable of withstanding the temperature of the cell which is in the range of 150° to 1060°C, stable to the halide composition 16 and good electrical conductors. Materials useful for this purpose are carbon, graphite and titanium carbides, nitrides or borides and aluminum metal suitably treated for heat transfer balance The materials of choice for these conductors have been found to be graphite and titanium dichloride when operating in bipolar mode.
Aluminiumklorid-cellen omfatter også en pipe eller et utløpsrør 28 med en ventil 30 som skal kontrollere strømmen av eventuelle gassformige elementer fra pipen og etablere trykk-oppbygningen i cellen for kontinuerlig drift. Gasser som kom-mer ut fra cellen er de som skriver seg fra det oksyderte, reduserende middel og det er bemerkelsesverdig at man ikke kan påvise noen klorgass i det heletatt fra et salt som inneholder aluminiumklorid. Hvis eventuell klorid fremstilles, vil dette bli omsatt med anoden 26 og resyklert som aluminiun-klorid. Det smeltede aluminium 32 tappes ut ved et vanlig tapperør }" h eller trekkes ut ved vakuum gjennom standard fremgangsmåter som i og for seg er kjent. The aluminum chloride cell also comprises a pipe or an outlet pipe 28 with a valve 30 which will control the flow of any gaseous elements from the pipe and establish the pressure build-up in the cell for continuous operation. Gases that come out of the cell are those that arise from the oxidized, reducing agent and it is remarkable that no chlorine gas can be detected at all from a salt containing aluminum chloride. If any chloride is produced, this will be reacted with the anode 26 and recycled as aluminum chloride. The molten aluminum 32 is tapped off by means of a conventional tapping tube }" h or extracted by vacuum through standard methods which are known in and of themselves.
Figur h viser modifikasjon av celle-konstruksjonen i figur 1 igjen med vertikale elektroder. Cellestrukturen, deriblant skallet 12 og det ildfaste materialet lk, er det samme som beskrevet foran, elektroden kk som tjener som anode har enten en av anodene vist i figurene 2, 2A eller 2B, men fortrinnsvis i figur 3«Anoden kk er nedsenket i elektrolytten som inneholder fluorid eller fluorid-salter eller danning av disse og oppvarmes til en temperatur som vanligvis er 5. området 67O<0>til 8lO°C. På bunnen av cellen, og hvilende på katodebjeiken 45 plassert over ildfast isolasjon 14, er en blokk 46 som fortrinnsvis er noe videre enn anoden 44 og tjener som katode gjennom passende elektrisk forbindelse med ka-todebjelken 45. Figure h shows modification of the cell construction in Figure 1 again with vertical electrodes. The cell structure, including the shell 12 and the refractory material lk, is the same as described above, the electrode kk which serves as anode has either one of the anodes shown in figures 2, 2A or 2B, but preferably in figure 3 "The anode kk is immersed in the electrolyte which contains fluoride or fluoride salts or formation thereof and is heated to a temperature which is usually 5. the range 67O<0>to 8lO°C. At the bottom of the cell, and resting on the cathode beam 45 placed over refractory insulation 14, is a block 46 which is preferably somewhat further than the anode 44 and serves as the cathode through suitable electrical connection with the cathode beam 45.
Blokken 46 kan være fremstilt fra hvilket som helst av de materialer for elektroder som er beskrevet foran. Blokken 46 bør strekke seg nær til bunnen 50 av anoden 44 som er dens eneste overflate for erosjon i anoden. Nærmere anode-katode-avstand for en slik elektrode-konfigurasjon er mulig når blokken 46 også går over nivået av det smeltede aluminium 32. Etter hvert som aluminium påføres katodeblokken 46 fuk-tes overflaten og aluminium renner av blokken og over i bassenget 32 ved bunnen av cellen og tappes ut som ønsket ved 3^»The block 46 may be made from any of the materials for electrodes described above. The block 46 should extend close to the bottom 50 of the anode 44 which is its only surface for erosion into the anode. Closer anode-cathode spacing for such an electrode configuration is possible when the block 46 also goes above the level of the molten aluminum 32. As aluminum is applied to the cathode block 46, the surface is wetted and the aluminum flows off the block and into the pool 32 at the bottom of the cell and drained as desired at 3^»
Figur 4 viser også krafttilføringsklemmen 47»vist skjematisk, i kontakt med anoden 44 enten over men fortrinnsvis under badenivå og i nærheten av bunnen av anoden for å redusere kraft-tapet på grunn av motstand i anoden. Anoden 44 kan være konstruert for eksempel som vist i figur 3»12 og 13. Klemmen virker ikke som anode på grunn av at den sammensatte anode fortrinnsvis oppløses i badet. Klemmen 47 kan delvis eller fullstendig omslutte anoden 44 etterhvert som denne kontinuerlig tilføres badet. Klemmen består i at et hvilket som helst passende inert materiale som er elektrisk ledende. Blant disse materialer er grafitt, karbon, TiB^eller blandinger av disse. Den elektriske kontakt mellom klemmen og anoden kan være gjennom et fremspringende kontaktpunkt 48. Krafttilførselen til klemmen 47 er gjennom passende delte, sylindriske ledere 49 > som strekker seg over cellens topp. Figure 4 also shows the power supply clamp 47 shown schematically, in contact with the anode 44 either above but preferably below bath level and near the bottom of the anode to reduce power loss due to resistance in the anode. The anode 44 can be constructed, for example, as shown in figures 3, 12 and 13. The clamp does not act as an anode because the composite anode preferably dissolves in the bath. The clamp 47 can partially or completely enclose the anode 44 as it is continuously supplied to the bath. The clamp consists of any suitable inert material which is electrically conductive. Among these materials are graphite, carbon, TiB^ or mixtures of these. The electrical contact between the clamp and the anode may be through a projecting contact point 48. The power supply to the clamp 47 is through suitably split cylindrical conductors 49 > which extend over the top of the cell.
I stedet for å forandre anodene periodisk for å til-føre nytt, aluminiumholdig materiale, kan den foreliggende oppfinnelse tilpasses en tilførselsmekanisme for kontinuerlig drift som vist i figur 5»eller kontinuerlig tilførsel av en elektrode som vist i figur 4 av.Søderberg-typen. Instead of changing the anodes periodically to supply new aluminum-containing material, the present invention can be adapted to a supply mechanism for continuous operation as shown in Figure 5 or continuous supply of an electrode as shown in Figure 4 of the Søderberg type.
Fremspringende opp gjennom cellen C i figur 5»erProjecting up through cell C in figure 5»
en anode-elektrode 52 som trenger dypt inn i smeiten 16, men som holder seg over bassenget av smeltet aluminium 32, eller katodeblokken 46. Anoden råmaterialer vist generelt ved R, omgir anoden 52, og utgjør det aluminiumholdige materiale og an anode electrode 52 which penetrates deep into the melt 16 but remains above the pool of molten aluminum 32, or cathode block 46. The anode raw materials shown generally at R surround the anode 52, constituting the aluminum containing material and
det reduserende middel. Denne anodeblandingen kan være fremstilt som små partikler i størrelse fra 0,025 til ca. 25 mm eller mer og kan være fremstilt ved ekstrusjon, smelting eller liknende og tilført cellen igjennom trakten 5k. Partiklene av råmateriale av aluminiumholdig materiale og reduserende middel er identifisert spesifikt ved 58 og er i nær kontakt med anoden 52 for å tilveiebringe den nødvendige kilde av aluminium og reduserende middel. the reducing agent. This anode mixture can be prepared as small particles ranging in size from 0.025 to approx. 25 mm or more and can be produced by extrusion, melting or the like and supplied to the cell through the funnel 5k. The particles of raw material of aluminum containing material and reducing agent are identified specifically at 58 and are in close contact with the anode 52 to provide the required source of aluminum and reducing agent.
Disse anodematerialer er holdt i nær kontakt med hverandre og med anoden 52 ved å være innesluttet i en porøs, membran-beholder 60 som omslutter anoden 52. Etterhvert som anodematerialene 58 brukes opp og nivået faller vesentlig under nivået i det smeltede bad 16, bringes matingen 5^ i driTt for å føre ytterligere, anodiske materialer 58 til beholderen av den porøse membran 60. These anode materials are kept in close contact with each other and with the anode 52 by being enclosed in a porous membrane container 60 which encloses the anode 52. As the anode materials 58 are used up and the level falls substantially below the level in the molten bath 16, the feed is brought 5^ in driTt to supply additional, anodic materials 58 to the container of the porous membrane 60.
I utførelsen i figur 6 er en bipolar celle vist. Igjen har liknende strukturer fått de samme tallbetegnelser. In the embodiment in Figure 6, a bipolar cell is shown. Again, similar structures have been given the same numerical designations.
Samme grunnleggende prinsipp benyttes i den bipolare cellen bortsett fra at der er et par elektroder i hver ende av cellen som er i kontakt med passende elektriske kil-der. En av elektrodene 64 er en katode og ved den motsatte enden en anode 66. Mellom elektrodene 64 og 66 er en gruppe adskilte elektroder 68 som ikke er forbundet med hverandre eller med en annen elektrisk kilde. Festet til hver av elektrodene 68 gog anoden 66 er en porøs membranbeholder 60 av den samme type som er beskrevet ved 60 i figur 5«Den porøse membran 60 har imidlertid i den bipolare celle som en side en av elektrodene 66 eller 68 som danner beholderen for anodiske råmaterialer 58. The same basic principle is used in the bipolar cell except that there are a pair of electrodes at each end of the cell which are in contact with suitable electrical sources. One of the electrodes 64 is a cathode and at the opposite end an anode 66. Between the electrodes 64 and 66 is a group of separate electrodes 68 which are not connected to each other or to another electrical source. Attached to each of the electrodes 68 and the anode 66 is a porous membrane container 60 of the same type as described at 60 in Figure 5. However, the porous membrane 60 has in the bipolar cell as one side one of the electrodes 66 or 68 which forms the container for anodic raw materials 58.
I den bipolare celle, er siden av elektroden 68 som er nærmest anoden 66 negativt ladet og siden av elektroden 68 som vender mot katoden 64 ble positivt ladet. Denne siden 72 av elektroden 68 vil virke som anode og det er i den siden som er i kontakt med de anodiske råmaterialer 58. Elektrolysen frembringer da aluminium på den negative siden av elektroden 68 og C02på den positive eller anodiske side av den samme elektrode. Aluminium faller inn i bassenget 32 ved bunnen og samles opp på vanlig måte. In the bipolar cell, the side of the electrode 68 closest to the anode 66 is negatively charged and the side of the electrode 68 facing the cathode 64 is positively charged. This side 72 of the electrode 68 will act as the anode and it is in the side that is in contact with the anodic raw materials 58. The electrolysis then produces aluminum on the negative side of the electrode 68 and C02 on the positive or anodic side of the same electrode. Aluminum falls into the basin 32 at the bottom and is collected in the usual manner.
I figurene 7 til 11 er den elektrolytiske celle med skrå sider vist i kombinasjon med anodepreparatet ifølge oppfinnelsen som fører til vesentlig besparelser ved elektro-deponering av aluminium. In Figures 7 to 11, the electrolytic cell with slanted sides is shown in combination with the anode preparation according to the invention, which leads to significant savings in electrodeposition of aluminium.
I aluminium-reduksjons-celler som benytter Hall-prosessen, har man en anode-katode-avstand som må ta hensyn til den magnestiske feltvirkning og "tilbake-reaksjon" på grunn av bølgebevegelser i aluminiumbassenget. Slike be-traktninger hindrer enhver nærmere avstand enn fra 3»7til 5,0 cm mellom bunnoverflaten av anoden hvor all erosjon finner sted, og toppen av aluminiumbassenget eller katode-elektroden. En annen og like vesentlig grunn for kravet om større avstand mellom katode og anode enten det er i en Hall celle-konstruksjon som benytter vertikale sider eller i et forsøk på å benytte en elektrode med skråsider, er den store vanskelighet å opprettholde dimensjonen stabilitet på grunn av de høye temperaturer som kreves og de korroderende salter som nød-vendigvis ble tilført for å opprettholde den høye temperatur for oppløsning av aluminiumoksyd. I kombinasjonen med elek-trodeceller med skråttstilte sider og anode som benytter aluminiumoksyd og i reduserende middel for å frembringe den eneste kilde for aluminium vil bruk av temperaturer som er så lave at de ligger like over smeltetemperaturene for aluminium, redusere eventuelle problemer når det gjelder dimensjonen mangel på stabilitet og derfor gjør det mulig at celler ifølge den foreliggende oppfinnelse kan konstrueres med en mindre anode-katode-avstand enn det som har vært mulig tidligere. Det er således den spesielle kombinasjon av anoden og .de skråttstilte vegger for fremstilling av cellen som frembringer et lavere IR spenningstall i saltet på grunn av den mindre avstand som er mulig mellom de skråttstilte vegger og reduksjon i strømmtettheten ved anoden. In aluminum reduction cells using the Hall process, one has an anode-cathode distance that must take into account the magnetic field effect and "back-reaction" due to wave movements in the aluminum pool. Such considerations preclude any closer distance than from 3.7 to 5.0 cm between the bottom surface of the anode where all erosion takes place, and the top of the aluminum basin or cathode electrode. Another and equally important reason for the requirement for a greater distance between cathode and anode, whether in a Hall cell construction that uses vertical sides or in an attempt to use an electrode with sloping sides, is the great difficulty in maintaining dimensional stability due to of the high temperatures required and the corrosive salts which were necessarily added to maintain the high temperature for dissolution of alumina. In combination with beveled electrode cells and anodes using alumina and in reducing agent to produce the sole source of aluminum, the use of temperatures so low as to be just above the melting temperatures of aluminum will reduce any dimensional problems lack of stability and therefore makes it possible for cells according to the present invention to be constructed with a smaller anode-cathode distance than has previously been possible. It is thus the special combination of the anode and the inclined walls for the production of the cell that produces a lower IR voltage number in the salt due to the smaller distance that is possible between the inclined walls and reduction in the current density at the anode.
I hovedtrekkene er cellene i figurene 7 til 11 tilsvarende de som er beskrevet foran, bortsett fra de skrå overflater som danner elektrodene. Med denne celle strukturen, er anoden 47 utstyrt med skråstilte sider 46 som her er vist som ytre og som er rettet nedover innover, selv om retningen på vinkelen ikke er kritisk. Hellingen på sidene kan være i hvilken som helst retning eller i hvilken som helst vinkel fra nivået på badet B. Vinkelen kan til og med variere frå 10° til 80°C eller mer fra badnivået. Ved bruk av anodebunnen av elektroden med skråttstilte sider hvor den del av den skrå anodeside som ér nedsenket i badet 16, vil anoden erodere over en større overflate og tilføre aluminium for endelig påføring på katoden. In their main features, the cells in Figures 7 to 11 are similar to those described above, except for the inclined surfaces which form the electrodes. With this cell structure, the anode 47 is provided with inclined sides 46 which are shown here as outer and which are directed downwards inwards, although the direction of the angle is not critical. The slope of the sides can be in any direction or at any angle from the level of the bath B. The angle can even vary from 10° to 80°C or more from the bath level. When using the anode base of the electrode with inclined sides where the part of the inclined anode side is immersed in the bath 16, the anode will erode over a larger surface and add aluminum for final application to the cathode.
Katoden 78 har overflaten 79 med komplementær form til de skråttstilte sidene 76 på anoden, for å gi en elektro-deavstand på sidene som er vist med avstanden Y. Denne avstanden kan være mellom 0,-8 og 6,25 cm. Større avstand gir større energiforbruk. Avstanden mellom bunnen 80 på anoden 74 i figur 7 og overflaten av aluminiumlaget 82 som danner en "del av aluminiumbassenget 8k er vist ved X og kan være mellom 0,8 og 6,25 cm. Fortrinnsvis bør avstandene X og Y være mellom 0,8 og 2,5 cm. Avstanden mellom anoden og katoden over det størknede badlag 86 er ikke vesentlig for bruken av oppfinnelsen. Avstandene X og Y mellom anoden og katoden bør imidlertid være like eller forskjellige avhengig av den ønskede strømtetthet og anode-erosjon, men når det er plassert nær som angitt ovenfor, vil dette føre til vesentlig energibesparels eu The cathode 78 has the surface 79 of complementary shape to the beveled sides 76 of the anode, to provide an electrode distance on the sides shown by the distance Y. This distance can be between 0.8 and 6.25 cm. Greater distance results in greater energy consumption. The distance between the bottom 80 of the anode 74 in Figure 7 and the surface of the aluminum layer 82 which forms part of the aluminum pool 8k is shown at X and can be between 0.8 and 6.25 cm. Preferably the distances X and Y should be between 0, 8 and 2.5 cm. The distance between the anode and the cathode above the solidified bath layer 86 is not essential to the use of the invention. However, the distances X and Y between the anode and the cathode should be equal or different depending on the desired current density and anode erosion, but when it is placed close as indicated above, this will lead to significant energy savings eu
Foringen 78 som utgjør katoden i cellen, kan væreThe liner 78 which forms the cathode in the cell can be
av typiske materialer som benyttes for elektrolytiske celler så som karbon, titan diborid eller liknende, og er formet slik som nevnt foran for å være i overensstemmelse med den ytre form på anoden "] h. I tillegg har bunnen av foringen et skrått gulv 90 for aluminiumbassenget som fører inn i opp-samlingsbrønnen 92 for aluminium. Som man kan se av det skråttstilte gulvet 90 er dette slik at det holder tilbake bare en begrenset dybde av aluminiumlaget som kan reguleres ved bortføringsinnretninger (ikke vist) for aluminium fra oppsamlingsbrønnen. Formålet med dette tynne aluminiumlaget under bunnen 80 i anoden, er å eliminere bølgevirkninger i det smeltede aluminiumlag på grunn av den magnetiske virkning i cellen. of typical materials used for electrolytic cells such as carbon, titanium diboride or the like, and is shaped as mentioned above to conform to the outer shape of the anode "] h. In addition, the bottom of the liner has an inclined floor 90 for the aluminum basin leading into the aluminum collection well 92. As can be seen from the inclined floor 90, this is such that it retains only a limited depth of the aluminum layer which can be regulated by removal devices (not shown) for aluminum from the collection well. this thin aluminum layer under the base 80 in the anode, is to eliminate wave effects in the molten aluminum layer due to the magnetic effect in the cell.
I andre henseender er cellen i figur 7 tilsvarende den som er i figur 1 ved at lokket 18 er utstyrt med en ut-løpsåpning 80 som er en del av skallet 12. Ildfast isola sjon i passende form som vist ved 14 kan også være tilstede. In other respects, the cell in Figure 7 is similar to that in Figure 1 in that the lid 18 is provided with an outlet opening 80 which is part of the shell 12. Refractory insulation in suitable form as shown at 14 may also be present.
Kombinasjonen av bruk av anoden ifølge oppfinnelsen med skråttstilte sider som er i overensstemmelse med skrå anoder, gjør det mulig at konfigurasjonen av cellene og anoden kan variere vesentlig som vist i figurene 8 til 11. The combination of using the anode according to the invention with inclined sides which are in accordance with inclined anodes, enables the configuration of the cells and the anode to vary significantly as shown in figures 8 to 11.
I figurene 8 og 9»varieres formen av anoden 74 og har sentralt plasserte skråttstilte sider $k som divergerer og som danner en spiss 96 i anoden. Karbon eller annet fo-ringsmateriale så som TiB£, etc, som virker som katode, stik-ker opp for å være i overensstemmelse med den indre form på anoden som vist i figur 8,~Driften av en slik celle som vist i figur 8 og 9©r vesentlig lik det som er beskrevet i figur 7, spesielt med hensyn på den økede erosjon av overflatene 94. In Figures 8 and 9, the shape of the anode 74 is varied and has centrally placed inclined sides $k which diverge and which form a tip 96 in the anode. Carbon or other lining material such as TiB£, etc, which acts as a cathode, protrudes to conform to the internal shape of the anode as shown in Figure 8,~The operation of such a cell as shown in Figure 8 and 9© is substantially similar to that described in figure 7, especially with regard to the increased erosion of the surfaces 94.
I figur 10 og 11 er dobbeltanoder 100 og 102 med motsatt formede, skråttstilte sider 104 og 106 plassert i en celle med katode 98, formet stort sett slik som beskrevet i figur 8. In Figures 10 and 11, double anodes 100 and 102 with oppositely shaped, inclined sides 104 and 106 are placed in a cell with cathode 98, shaped largely as described in Figure 8.
Bruken av skråttstilte katoder i elektrolytiske celler vist i figur 7 til 11, har vist seg å kreve at man ikke kan ha noe størknet saltlag på overflatene av den skråttstilte katodevegg nedsenket i badet og stilt overfor en del av anodeoverflaten. Ellers kan den ønskede avstand mellom katode og anode ikke opprettholdes. I tillegg er det størk-nede saJ.t som ville være festet på veggen av katoden, være en god elektrisk insolator, og kunne derfor hemme strømmen fra anoden til den skråttstilte katodesideveggen. I tidligere bruk av slike elektroder med skråttstilte vegger, hindrer problemer med salter som størknet på sidene og likeledes den dimensjonelle mangel på stabilitet i foringen, omfattende bruk av slike celler. Med anodepreparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse og lavere badtemperaturer, vil imidlertid en rekke lavtsmeltende saltpreparater som ikke vil fryse ut på sideveggene lett kunne benyttes. Ideelt justeres smeltepunktet på saltet og cellens termiske balanse slik at utfrysningslinjen for saltet er i foringen eller i det ytre stålskallet, snarere enn på foringen eller på grenseflaten mellom katode og bad. Det er ikke viktig hvor utfrysningslinjen er plassert, så lenge utfrysningslinjen er inne i foringen og at saltet holdes i flytende tilstand på overflaten av katodeforingen nedsenket i badet. Slike tilfeller opprettholdes den ønskede katode-anode-avstand uten vanskelighet. The use of inclined cathodes in electrolytic cells shown in Figures 7 to 11 has been found to require that one cannot have any solidified salt layer on the surfaces of the inclined cathode wall immersed in the bath and facing part of the anode surface. Otherwise, the desired distance between cathode and anode cannot be maintained. In addition, the solidified saJ.t which would be attached to the wall of the cathode, would be a good electrical insulator, and could therefore inhibit the current from the anode to the inclined cathode sidewall. In previous use of such electrodes with inclined walls, problems with salts solidifying on the sides and likewise the dimensional lack of stability in the lining prevent widespread use of such cells. However, with the anode preparation according to the present invention and lower bath temperatures, a number of low-melting salt preparations which will not freeze out on the side walls can easily be used. Ideally, the melting point of the salt and the thermal balance of the cell are adjusted so that the freeze-out line for the salt is in the liner or in the outer steel shell, rather than on the liner or at the cathode-bath interface. It is not important where the freeze-out line is located, as long as the freeze-out line is inside the liner and the salt is kept in a liquid state on the surface of the cathode liner immersed in the bath. In such cases, the desired cathode-anode distance is maintained without difficulty.
ProsessenThe process
a. Bad som inneholder klorid.a. Baths containing chloride.
De elektrolytiske prosesser ifølge oppfinnelsen for kontinuerlig fremstilling av aluminiumioner ved anoden, benytter den elektrolytiske eelle med lukket topp som er vist i figur 1, eller en hvilken som helst av de andre celler som er beskrevet her, hvis toppen er lukket eller hvis der er tatt passende forholdsregler for å hindre: (a) fuktighet fra å komme i kontakt med klorid-elektrolytten, The electrolytic processes of the invention for the continuous production of aluminum ions at the anode employ the closed-top electrolytic cell shown in Figure 1, or any of the other cells described herein, if the top is closed or if appropriate precautions to prevent: (a) moisture from contacting the chloride electrolyte;
elleror
(b) oksydasjon av aluminium-klorid, mens de fordampede bad-salter beholdes. Fordelen med den foreliggende oppfinnelse ved bruk av bad som inneholder klorid, skriver seg ikke bare fra kontinuerlig in situ produksjon av aluminium-ioner ved anoden, men også fra bruk av vesentlig lavere energi for å , frembringe aluminium med høy kvalitet i totalt fravær av klorgass fra cellen. Kontinuerlig fremstilling av aluminium-ioner ved anoden oppnåes ved at anoden fremstilles av et aluminiumholdig materiale som inneholder aluminiumoksyd og et reduserende middel. Denne anoden nedsenkes i et smeltet bad som inneholder alkalimetall og/eller jord-alkalimetall-halogenidsalter av hvilken som helst sammensetning forutsatt at aluminiumklorid er tilstede i badet. Ved elektrolyse, på-føres ionisert aluminium i badet som aluminium-metall på katoden, mens reaksjonen ved anoden også danner CO^i tillegg til aluminiumioner. Aluminium samlet opp som smeltet aluminium og trekkes bort, men det er reaksjonen ved anoden for å omdanne aluminiumionene som utgjør den viktigste delen av den foreliggende oppfinnelse. (b) oxidation of aluminum chloride, while the evaporated bath salts are retained. The advantage of the present invention when using baths containing chloride is not only from the continuous in situ production of aluminum ions at the anode, but also from the use of significantly lower energy to produce aluminum of high quality in the total absence of chlorine gas from the cell. Continuous production of aluminum ions at the anode is achieved by the anode being produced from an aluminum-containing material that contains aluminum oxide and a reducing agent. This anode is immersed in a molten bath containing alkali metal and/or alkaline earth metal halide salts of any composition provided aluminum chloride is present in the bath. In electrolysis, ionized aluminum is applied in the bath as aluminum metal to the cathode, while the reaction at the anode also forms CO^ in addition to aluminum ions. Aluminum is collected as molten aluminum and drawn away, but it is the reaction at the anode to convert the aluminum ions that constitutes the most important part of the present invention.
Det er mulig at halogenklor, enten som kloridion, kloratomer eller klorgass, kan ta del i kloridreaksjonen"med aluminiumoksyd fra det aluminiumholdige materialet og det re duserende middel i anoden for å frembringe aluminium-ioner pluss oksyd av det reduserende middel. Aluminium fra anoden ioniseres i det smeltede bad for fortsettelse av syklusen, og anionene som kan være klorid, oksyd eller andre, opprettholder ladningsbalansen med aluminium-ionene. It is possible that halogen chlorine, either as chloride ion, chlorine atoms or chlorine gas, can participate in the chloride reaction" with aluminum oxide from the aluminum-containing material and the reducing agent in the anode to produce aluminum ions plus oxide of the reducing agent. Aluminum from the anode is ionized in the molten bath to continue the cycle, and the anions, which may be chloride, oxide or others, maintain the charge balance with the aluminum ions.
Aluminium fremstilt på katoden er vanligvis så rent som det aluminiumholdige materialet som danner anoden. Det er mulig å fremstille ultrarent aluminium i overensstemmelse med oppfinnelsen ved å benytte en meget ren aluminiumoksyd-kilde eller å fremstille et litt urent aluminium ved direkte bruk av aluminiumholdige materialer som bauxit eller leirer som inneholder aluminium, så som kaolin eller blandinger av slike materialer. Vanligvis er det mulig å oppnå en renhet på aluminium på minst 99>5%. Aluminum produced on the cathode is usually as pure as the aluminum-containing material that forms the anode. It is possible to produce ultrapure aluminum in accordance with the invention by using a very pure alumina source or to produce a slightly impure aluminum by direct use of aluminium-containing materials such as bauxite or clays containing aluminium, such as kaolin or mixtures of such materials. Usually it is possible to achieve a purity of aluminum of at least 99>5%.
I Hall-Heroult celle-reaksjonen er det kjent at kar-bonen ved anoden bidrar til den generelle reaksjon ved ut-vinning av aluminium ved å redusere dekomponeringsspenningen for Al^O^. For eksempel er dekomponering av AI2O-J i kryolitt med en platinum anode ca. 2,2 volt, men ved en karbonelek-trode hvor man går ut fra at 50 volumprosent CO frembringes og 50$> CO2, er dekomponeringsspenningen ca. 1,2. Man får omtrent den samme dekomponerings spenning fra Al^O-^hvis me-tan blåses inn under platina-elektroden for å frembringe hovedsaklig CO2. In the Hall-Heroult cell reaction, it is known that the carbon at the anode contributes to the general reaction when extracting aluminum by reducing the decomposition voltage for Al^O^. For example, decomposition of AI2O-J in cryolite with a platinum anode is approx. 2.2 volts, but with a carbon electrode where it is assumed that 50 volume percent CO is produced and 50$> CO2, the decomposition voltage is approx. 1.2. You get about the same decomposition voltage from Al^O-^ if methane is blown under the platinum electrode to produce mainly CO2.
I den foreliggende oppfinnelse, fører bruk av den sammensatte anode i en lavere dekomponeringsspenning enn det man ville få hvis AlCl^ ble komponert med fremstilling avCl^-gass på anoden. I en hvilken som helst elektrokjemisk reaksjon, hvis strøm spenningskurven ekstrapoleres til 0 strøm, får man et tall som gir den omtrentlige dekomponeringsspenning. Når en grafitt-anode benyttes i en elektrolyseprosess med aluminiumklorid, kan man få en dekomponering på 1,8 til 2,0 volt, som er i overensstemmelse med de verdier som er gjengitt i literaturen, og den teoretiske verdi beregnet fra termodynamitt. In the present invention, the use of the composite anode results in a lower decomposition voltage than would be obtained if AlCl^ were composed with the production of Cl^ gas on the anode. In any electrochemical reaction, if the current-voltage curve is extrapolated to 0 current, one obtains a number that gives the approximate decomposition voltage. When a graphite anode is used in an electrolysis process with aluminum chloride, a decomposition of 1.8 to 2.0 volts can be obtained, which is in accordance with the values given in the literature and the theoretical value calculated from thermodynamite.
Det ble påvist at dekomponeringsspenningen ifølge oppfinnelsen, varierer litt med elektrolytt-sammensetnxng. Med rent NaAlCl^, er dekomponeringsspenningen lavest, men etterhvert som AlCl^-komponenten . i' elektrolytten ble redu sert, hadde dekomponeringsspenningen en tendens til å øke svakt. Den laveste dekomponeringsspenning man fikk Var 0,5 volt og den høyeste 1,5 volt. Gjennomsnittlig verdi var 1,2 volt. Dersom man benytter den vanligste gjennomsnittlige verdi på 1,2 dekomponeringsspenning, kan man se at i den foreliggende oppfinnelse er dekomponeringsspenningene 0,6 volt mindre enn for AlCl^, når klor fremstilles, og den verdi man har oppnådd her, nærmer seg verdien på Al^O^og karbon, noe som antyder at den samme generelle reaksjonsmekanisme finner sted både i en Hall-Heroult celle og i den foreliggende oppfinnelse. It was demonstrated that the decomposition voltage according to the invention varies slightly with electrolyte composition. With pure NaAlCl^, the decomposition voltage is lowest, but gradually as the AlCl^ component. as the electrolyte was reduced, the decomposition voltage tended to increase slightly. The lowest decomposition voltage obtained was 0.5 volts and the highest 1.5 volts. The average value was 1.2 volts. If one uses the most common average value of 1.2 decomposition voltage, one can see that in the present invention the decomposition voltages are 0.6 volts less than for AlCl^, when chlorine is produced, and the value obtained here approaches the value of Al ^O^ and carbon, suggesting that the same general reaction mechanism takes place both in a Hall-Heroult cell and in the present invention.
Denne lavere dekomponeringsspenning fører til en vesentlig energisparing for den elektrolytiske fremstilling av aluminium, ikke bare sammenliknet med klassiske aluminium-kloridsystemer hvor klor fremstilles på anoden, men også når man betrakter den ytterligere energi som er nødvendig for å frembringe AlCl^fra Al^O^, karbon og klor. This lower decomposition voltage leads to a significant energy saving for the electrolytic production of aluminum, not only compared to classic aluminum-chloride systems where chlorine is produced at the anode, but also when considering the additional energy required to produce AlCl^ from Al^O^ , carbon and chlorine.
Prosessbetingelsene for elektrolytisk fremstilling av aluminium har ikke vist seg å være kritisk med hensyn til den spenning som anvendes eller strømtettheten. Temperaturen i badet kan variere betraktelig og er helt enkelt den temperatur som er nødvendig for å holde, bad-smelte, noe som av-henger av sammensetningen av halogenidsaltene som er tilstede, kan oppnåes i et temperaturområde på fra 150° til 1000°C, men som vanligvis vil være i området mellom smeltepunktet for aluminium og kokepunktet for cellekomponentene, fortrinnsvis 10° til 400°C og helst 10° til 150°C opp til mindre enn 250°C over smeltepunktet for aluminium. Trykkbetingelsene i den lukkede cellen er ikke kritisk spesielt siden ingen klorgass vil slippe unna som i tidligere kjente aluminiumkloridsalt-prosesser. Mens CO eller COg eller begge kan frembringes i den foreliggende prosess, er ikke disse gassene så korroderende som klor. Trykkbetingelsene som ikke er viktige kan variere fra atmosfæretrykk til 0,7 eller flere atmosfærer. The process conditions for the electrolytic production of aluminum have not been shown to be critical with regard to the voltage used or the current density. The temperature in the bath can vary considerably and is simply the temperature necessary to maintain, bath melting, which depends on the composition of the halide salts present, can be achieved in a temperature range of from 150° to 1000°C, but which will usually be in the range between the melting point of aluminum and the boiling point of the cell components, preferably 10° to 400°C and more preferably 10° to 150°C up to less than 250°C above the melting point of aluminum. The pressure conditions in the closed cell are not particularly critical since no chlorine gas will escape as in previously known aluminum chloride salt processes. While CO or COg or both may be produced in the present process, these gases are not as corrosive as chlorine. The pressure conditions which are not important may vary from atmospheric pressure to 0.7 or more atmospheres.
b. Bad som bare inneholder fluorid.b. Baths that only contain fluoride.
Hall-cellen baseres kjemisk på det forhold at aluminiumoksyd vil oppløses i kryolitt-fluorid-saltbadet ved temperaturer på 950° til 1000°C. Bayer-aluminiumoksyd er opp-lø.slig i bad som inneholder kryolitt ved en minimumstemperatur på minst 900°C eller mer. Et hvilket som helst bad som inneholder fluorid ved temperatur under ca. 900°C vil ikke lett bringe i oppløsning vanlig fremstilt Bayer-aluminiumoksyd, og derfor, aluminiumoksyd, som aluminiumkilde kan ikke gå inn i reduksjonsreaksjonen, og det er heller ikke mulig for aluminium å påføres katoden. Uten denne generelle oppløslighet for aluminiumoksyd i fluoridsaltbadet, er det ikke mulig å utvinne aluminium elektrolytisk. The Hall cell is based chemically on the fact that aluminum oxide will dissolve in the cryolite-fluoride salt bath at temperatures of 950° to 1000°C. Bayer alumina is soluble in baths containing cryolite at a minimum temperature of at least 900°C or more. Any bath containing fluoride at a temperature below approx. 900°C will not readily dissolve commonly prepared Bayer alumina, and therefore, alumina as a source of aluminum cannot enter the reduction reaction, nor is it possible for aluminum to be applied to the cathode. Without this general solubility of aluminum oxide in the fluoride salt bath, it is not possible to extract aluminum electrolytically.
Som en side ved d-en foreliggende oppfinnelse er det påvist at i alle bad som inneholder fluorid, kan temperaturen være i området på fra mellom smeltepunktet for aluminium til kokepunktet for ce1lekomponentene og fortrinnsvis 10°-400°C og helst 10° til 150°C opp til mindre enn 250°C over smeltepunktet for aluminium. For å elektro-utvinne aluminium fra dets korresponderende oksyd eller en annen forbindelse som inneholder oksygen, vil området for bad-temperaturene vanligvis være på 670° til 800°C og fortrinnsvis fra 700° til 750°C. As an aside to the present invention, it has been demonstrated that in all baths containing fluoride, the temperature can be in the range of from between the melting point of aluminum to the boiling point of the cell components and preferably 10°-400°C and preferably 10° to 150° C up to less than 250°C above the melting point of aluminium. In order to electro-reduce aluminum from its corresponding oxide or other compound containing oxygen, the range of bath temperatures will generally be from 670° to 800°C and preferably from 700° to 750°C.
Den viktige side ved denne oppdagelsen som skiller den fra konvensjonelle fremgangsmåter i Hall-Heroult cellen, er at den sammensatte anode som inneholder blanding av aluminiumoksyd og reduserende midler, frembringer en omdanning av aluminiumoksyd og frembringer ionisk aluminium i fluorid-badet ved lav temperatur. Den generelle reaksjon antar man imidlertid stort sett er den samme som Hall celle-reaksjonen som nevnt foran. Aluminium fremstilles i flytende form på det flytende metallbassenget som utgjør katoden. Man antar at en reaksjon finner sted på anodeoverflaten på en spesiell måte som fører til at reaksjonen av aluminiumoksyd for å frembringe aluminium-ioner på samme måte som mekanismen som finner sted i Hall cellen, selv om temperaturen bare er noe over smeltepunktet for aluminium. The important aspect of this discovery that distinguishes it from conventional methods in the Hall-Heroult cell is that the composite anode containing a mixture of alumina and reducing agents produces a transformation of alumina and produces ionic aluminum in the fluoride bath at low temperature. However, the general reaction is assumed to be largely the same as the Hall cell reaction as mentioned above. Aluminum is produced in liquid form on the liquid metal pool that forms the cathode. It is assumed that a reaction takes place on the anode surface in a special way which leads to the reaction of aluminum oxide to produce aluminum ions in the same way as the mechanism that takes place in the Hall cell, even if the temperature is only slightly above the melting point of aluminum.
Viktigheten av å benytte den sammensatte anode ifølge oppfinnelsen bør være ganske klar siden under de samme betingelser som man har under den foreliggende oppfinnelse men under anvendelse av karbon eller en annen ikke-forbrukbar anode, vil tilsats av aluminiumoksyd til badet hverken føre til oppløsning av aluminiumoksyd eller elektrodeponering av aluminium. En viktig side ved den foreliggende oppfinnelse er at ved å benytte en sammensatt anode ved lav temperatur fra 67O<0>til 800°C i et bad som bare inneholder fluorid, kan Hall-cellen drives på en slik måte som i figur k uten den lukkede toppen som er nødvendig ved drift av kloridbadet som vist i figur 1. Bad-sammensetning, strømtetthet og andre prosess-parametere er ikke kritiske til driften av en celle som inneholder et kloridbad eller et fluoridbad. The importance of using the composite anode according to the invention should be quite clear since under the same conditions as under the present invention but using carbon or another non-consumable anode, the addition of alumina to the bath will neither lead to dissolution of alumina or electrodeposition of aluminum. An important aspect of the present invention is that by using a composite anode at a low temperature from 670<0> to 800°C in a bath containing only fluoride, the Hall cell can be operated in such a way as in figure k without the closed top which is necessary when operating the chloride bath as shown in Figure 1. Bath composition, current density and other process parameters are not critical to the operation of a cell containing a chloride bath or a fluoride bath.
AnodenThe anode
Den viktigste årsaken for at man oppnår de gunstige resultatene ifølge oppfinnelsen, ligger i bruken av den enestående, sammensatte anode som består i av en aluminiumforbindelse som inneholder oksygen, vanligvis aluminiumoksyd og et reduserende middel. The most important reason for achieving the favorable results according to the invention lies in the use of the unique, composite anode which consists of an aluminum compound containing oxygen, usually aluminum oxide and a reducing agent.
Anoden gir den eneste kilde for aluminium-ioner for elektrolytisk reduksjon til aluminium ved katoden og likeledes, siden karbon er et reduserende middel, midlene for å lede elektrisk strøm gjennom de elektriske aluminiumoksyd til reaksjonsstedet for aluminiumoksyd i kontakt med å nedsenke de i elektrolytten. Anoden gir også fortrinnsvis i hvertfall delvis en nødvendig kilde av reduserende middel som gjør det mulig for aluminiumoksyd å reagere i det anodiske miljø og frembringer aluminium på påføring på katoden som aluminium-metall. The anode provides the sole source of aluminum ions for electrolytic reduction to aluminum at the cathode and likewise, since carbon is a reducing agent, the means of conducting electrical current through the electrical alumina to the reaction site of alumina in contact with immersing them in the electrolyte. The anode also preferably provides, at least in part, a necessary source of reducing agent which enables aluminum oxide to react in the anodic environment and produces aluminum upon application to the cathode as aluminum metal.
Det reduserende middel er fortrinnsvis, i hvertfall delvis, blandet med aluminiumoksyd for å frembringe en nær kontakt mellom det reduserende middel og aluminiumoksydet. Det reduserende middel som skal være ledende hvis det er ut-valgt på riktig måte, kan, når det blandes med aluminiumoksyd, også virke som leder for elektrisk strøm til reaksjonsområdet for aluminiumoksydet. Etter reaksjon av hver partikkel aluminiumoksyd på et bestemt sted i kontakt med elektrolytten ved en bestemt strøm, vil en annen partikkel på det samme sted avdekkes og kan reagere. Dette mønster finner sted på overflaten av anoden og fortsetter inntil der ikke er mer aluminiumoksyd som kan omsettes. Hvis det reduserende mid del ikke er ledende og ikke blandet med aluminiumoksyd, må den elektriske lederfunksjon oppnåes ved ledende stenger for å holde aluminiumoksyd anodisk ved reaksjonsområdet. The reducing agent is preferably, at least partially, mixed with aluminum oxide to produce a close contact between the reducing agent and the aluminum oxide. The reducing agent which should be conductive if it is selected correctly, when mixed with aluminum oxide, can also act as a conductor of electric current to the reaction area of the aluminum oxide. After the reaction of each aluminum oxide particle at a specific location in contact with the electrolyte at a specific current, another particle at the same location will be exposed and can react. This pattern takes place on the surface of the anode and continues until there is no more alumina that can be converted. If the reducing agent is not conductive and not mixed with alumina, the electrical conducting function must be achieved by conductive rods to keep alumina anodic at the reaction zone.
I et aluminiumklorid-saltbad, skal anoden gi et reduserende middel som støtter den teoretiske reaksjon av aluminiumkilden med klorid eller oksygen eller begge for å opprettholde en konstant konsentrasjon av aluminiumklorid. Opp-rettholdelse av en konstant konsentrasjon av aluminiumklorid er en viktig del av kloridsyklusen i den foreliggende oppfinnelse, siden dette eliminerer behovet for ytre tilførsel av aluminiumklorid som skal elektrolyseres eller produksjon av klorgass på anoden." In an aluminum chloride salt bath, the anode must provide a reducing agent that supports the theoretical reaction of the aluminum source with chloride or oxygen or both to maintain a constant concentration of aluminum chloride. Maintaining a constant concentration of aluminum chloride is an important part of the chloride cycle in the present invention, since this eliminates the need for an external supply of aluminum chloride to be electrolyzed or the production of chlorine gas at the anode."
I prosessen hvor man benytter et rent fluorid-bad, gir" anoden ifølge oppfinnelsen på samme måte som i kloridsyklusen, aluminiumoksyd som reagerer i kloridbadet for å danne aluminium-ioner ved en helt enestående lav temperatur i området 670° til 800°C. Cellen kan også være åpen som vist i figurene k, 5 eller 7«In the process where a pure fluoride bath is used, the anode according to the invention, in the same way as in the chloride cycle, gives aluminum oxide which reacts in the chloride bath to form aluminum ions at a completely unprecedented low temperature in the range of 670° to 800°C. The cell can also be open as shown in figures k, 5 or 7«
Kilden for aluminium er aluminiumoksyd, A^O^, men kan også være et hvilket som helst materiale som inneholder aluminiumoksyd, så som bauxit eller leire, så som kaolin eller andre materialer som kan omsettes ved anoden for å frembringe aluminium-ioner som kan reduseres til smeltet metall ved katoden som i fluorid eller kloridprosessene. The source of aluminum is alumina, A^O^, but can also be any material containing alumina, such as bauxite or clay, such as kaolin, or other materials that can react at the anode to produce aluminum ions that can be reduced to molten metal at the cathode as in the fluoride or chloride processes.
Når blandinger danner anoden, er andelene fra minst 1>5og opp, med akseptable øvre grenser på 7»5»20,0 og til og med 50,0 eller flere vektdeler aluminiumoksyd i det aluminiumholdige materialet pr. vektdel reduserende middel. When mixtures form the anode, the proportions are from at least 1>5 and up, with acceptable upper limits of 7»5»20.0 and even 50.0 or more parts by weight of alumina in the aluminum-containing material per weight fraction reducing agent.
I den foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis mengden aluminiumoksyd i blandingen av aluminiumholdig materiale 2,0 til 6,5 og fortrinnsvis 2,5 til 6,0 vektdeler aluminiumoksyd pr. del reduserende middel. In the present invention, the amount of aluminum oxide in the mixture of aluminum-containing material is preferably 2.0 to 6.5 and preferably 2.5 to 6.0 parts by weight of aluminum oxide per part reducing agent.
Det reduserende middel som kan benyttes i overensstemmelse med oppfinnelsen er ikke begrenset til et bestemt materiale, men kan være et hvilket som helst av slike materialer som er effektive når det gjelder å reagere med aluminiumoksyd. Reaksjonen i fluorid og klorid-badene er ifeké klart definert, men det kan være at det reduserende middel reagerer med A^O-}og frembringer aluminium-ioner som til slutt påføres katoden og C0£ved anoden. Reaksjonsmekanismen kan være den samme i alle klorid, fluorid eller blandede klorid/f luoridsalt-elektrolytter. The reducing agent which may be used in accordance with the invention is not limited to a particular material, but may be any of such materials which are effective in reacting with alumina. The reaction in the fluoride and chloride baths is not clearly defined, but it may be that the reducing agent reacts with A^O-} and produces aluminum ions which are finally applied to the cathode and C0£ at the anode. The reaction mechanism may be the same in all chloride, fluoride or mixed chloride/fluoride salt electrolytes.
Blant de reduserende midler som er spesielt nyttige for aluminiumoksyd og andre oksyder er karbon eller en reduserende karbonforbindelse som benyttes i blandingen. Svovel, fosfor eller arsenikk kan også benyttes uavhengig eller sammen med karbon. Karbon er spesielt foretrukket siden den ka-rakteristisk har den doble evne til å lede strøm til reak- '• sjonsområdene for aluminiumoksyd og likeledes opprettholde en reduserende funksjon og frembringe et gassformet produkt ved anoden. Karbdnkildene i blandingen kan være et hvilket som helst onganisk materiale og spesielt de som er fossile så som tjære, kull og kullprodukter, reduserende gasser, for eksempel karbon monoksyd, og kan også inneholde naturlige eller syntetiske harpiksmaterialer, så som voks, gummi, fenoler, epoksier, vinyler etc. o.l. som kan, om man ønsker dette, for-kokses også i nærvær av det aluminiumholdige materialet. Forkoksing av karbonkilden som er blandet med aluminiumoksyd-forbindelsen, kan utføres på i og for seg kjent måte som med de fremgangsmåter som benyttes ved baking av anodene som benyttes i en Hall-Heroult celle. Dette oppnåes ved støping, forming, ekstrudering etc. av en sammensatt anode så som A A^O^-tjære i det ønskede forhold, for eksempel 6,5 deler aluminiumoksyd for hver del aluminium i forkokset tilstand, hvor-etter den dannede anode langsomt oppvarmes i en ikke-oksyde-rende atmosfære til en forkoksningstemperatur på 700° til 1200°C. Etter forkoksning, er den sammensatte anode klar for bruk. Among the reducing agents particularly useful for alumina and other oxides is carbon or a reducing carbon compound used in the mixture. Sulphur, phosphorus or arsenic can also be used independently or together with carbon. Carbon is particularly preferred since it characteristically has the dual ability to conduct current to the reaction areas for alumina and likewise maintain a reducing function and produce a gaseous product at the anode. The carbon sources in the mixture can be any inorganic material and especially those that are fossil such as tar, coal and coal products, reducing gases, for example carbon monoxide, and can also contain natural or synthetic resinous materials, such as wax, rubber, phenols, epoxies, vinyls, etc., etc. which can, if desired, also be pre-coked in the presence of the aluminium-containing material. Coking of the carbon source which is mixed with the aluminum oxide compound can be carried out in a manner known per se, such as with the methods used when baking the anodes used in a Hall-Heroult cell. This is achieved by casting, forming, extruding, etc., a composite anode such as A A^O^-tar in the desired ratio, for example 6.5 parts aluminum oxide for every part aluminum in the coked state, after which the formed anode is slowly heated in a non-oxidizing atmosphere to a coking temperature of 700° to 1200°C. After coking, the composite anode is ready for use.
Det er også for eksempel vurdert innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse å frembringe karbon som reduserende middel i blanding med aluminiumoksyd ved å forkokse karbonkilden i det smeltede elektrolyttbadet både før og under elektrolysen. Badtemperaturer i området 670° til 850°C er tilstrekkelig til å forkokse karbonkilden for å frembringe det nødvendige karbon. Tiden som skal til for å få en slik forkoksing er ikke kritisk, men det kan kreve flere minutter og opp til flere timer avhengig av temperaturen i det smeltede bad og massen i blandingen av aluminiumholdig materiale It is also considered, for example, within the framework of the present invention to produce carbon as a reducing agent in mixture with aluminum oxide by coking the carbon source in the molten electrolyte bath both before and during the electrolysis. Bath temperatures in the range of 670° to 850°C are sufficient to coke the carbon source to produce the required carbon. The time required to achieve such coking is not critical, but it may require several minutes and up to several hours depending on the temperature of the molten bath and the mass of the mixture of aluminum-containing material
og reduserende materiale.and reducing material.
Kontinuerlig forkoksing er mulig når man benytter til-før s elsklemmen i figur k ved å innføre en anode på toppen av den siste og etter hvert som forbruket finner sted kontinuerlig å senke anoden inntil "en er fullstendig brukt opp og den neste tar den førstes plass osv. Anoden kan tilføres kontinuerlig til cellen i rå tilstand som er vanlig ved den tradi-sjonelle Søderberg-elektroden. I dette tilfelle benyttes tradisjonelt stålstenger for å frembringe kontakt, men kontaktene kan også være grafitt, karbon, Til^, aluminium eller blandinger av disse. Det ubakt-e, sammensatte anodematerialet for-kokses gradvis fra varmen i cellen slik at enden av anoden i saltet alltid er fullstendig forkokset til temperaturen i cellen." Forkoksing på Søderberg-måten i cellen med 670° til 800°C, gir en anode med lavere ledningsevne sammenliknet med sammensatte anoder som er forbakt ved mye høyere temperaturer. Continuous coking is possible when using the supply clamp in figure k by introducing an anode on top of the last one and as consumption takes place continuously lowering the anode until "one is completely used up and the next takes the place of the first etc. The anode can be supplied continuously to the cell in the raw state which is common with the traditional Søderberg electrode. In this case steel rods are traditionally used to make contact, but the contacts can also be graphite, carbon, Til^, aluminum or mixtures of these. The unbaked, composite anode material is gradually coked from the heat in the cell so that the end of the anode in the salt is always completely coked to the temperature of the cell." Søderberg-style coking in the cell at 670° to 800°C produces an anode with lower conductivity compared to composite anodes prebaked at much higher temperatures.
Hele kilden for reduserende middel, som nevnt foran, bør eventuelt ikke blandes med aluminiumoksydkilden og danne anoden. Det er blitt påvist at for eksempel de eneste kravene for det reduserende middel er at det er kontakt med det anodiske aluminiumoksyd og tilstede i tilstrekkelige mengder til å frembringe aluminium av metall på anoden. The entire source of reducing agent, as mentioned above, should possibly not be mixed with the alumina source and form the anode. It has been shown that, for example, the only requirements for the reducing agent are that it be in contact with the anodic alumina and present in sufficient quantities to produce aluminum of metal on the anode.
Det er imidlertid klart at den elektriske strøm må overføres til reaksjonsområdet for at reaksjonen skal komme i stand. However, it is clear that the electric current must be transferred to the reaction area for the reaction to take place.
Hvis det reduserende middel så som karbon ikke er blandet for å bære strømmen, er det mulig at en annen leder, som er forenlig med cellen og dens innhold, kan benyttes. If the reducing agent such as carbon is not mixed to carry the current, it is possible that another conductor, compatible with the cell and its contents, can be used.
For eksempel kan kombinasjoner av aluminium og edelmetaller og høytsmeltende, ledende oksyder så som sølv -tinnoksyd eller TiB2, alene eller sammen med karbon eller grafitt, blandes med aluminiumoksyd i tilstrekkelige mengder til å føre den elektriske strøm til reaksjonsområdet. Slike mengder er ikke kritiske forutsatt at aluminiumoksyd gjøres anodisk på reaksjonsstedet. Mengder så små som ca. 0,001 og opp til minst 0,75 deler ledende materialer pr. del aluminiumoksyd kan benyttes. Større mengder øker ledningsevnen p& be-kostning av tilgjengeligheten av reaktivt materiale, men er mulig uten faktiske øvre grenser. Selvsagt må det fremdeles være til stede et reduserende middel for å frembringe den nød-vendige reaksjonen. For example, combinations of aluminum and noble metals and high-melting, conductive oxides such as silver-tin oxide or TiB2, alone or together with carbon or graphite, can be mixed with aluminum oxide in sufficient quantities to conduct the electric current to the reaction area. Such amounts are not critical provided that alumina is made anodic at the reaction site. Quantities as small as approx. 0.001 and up to at least 0.75 parts conductive materials per part aluminum oxide can be used. Larger amounts increase conductivity at the expense of reactive material availability, but are possible without actual upper limits. Of course, a reducing agent must still be present to produce the necessary reaction.
Når aluminiumoksyd er det aluminiumholdige materialet, kan bruken av hydrert eller kalsinert aluminiumoksyd benyttes. Anoder fremstilt"av hydrert aluminiumoksyd kan vise forbedret ledningsevne sammenliknet med kalsinert aluminium-oksyd, men hydrert aluminiumoksyd, Al^O^x 3H£0 eller Al (OH)^har en tendens til å sprekke under forbaking og forkoksing, og når det plasseres i det varme badet, på grunn av vann som drives av under forkoksingen. Når man har et salt som inneholder aluminiumklorid og -benytter forkoksing i badet av det hydrerte aluminiumoksyd, kan vann som drives av på en uønsket måte hydrolisere AlCl^. When alumina is the aluminum-containing material, the use of hydrated or calcined alumina can be used. Anodes made from hydrated alumina may show improved conductivity compared to calcined alumina, but hydrated alumina, Al^O^x 3H£0 or Al(OH)^tends to crack during prebaking and coking, and when placed in the hot bath, due to water carried off during the coking When having a salt containing aluminum chloride and using coking in the bath of the hydrated alumina, water carried off may undesirably hydrolyze the AlCl^.
Eventuell sprekking eller oppbrekking av anoden på grunn av avdrevet fuktighet, forårsaker ingen vanskelighet forutsatt at membranet som vist i figur 5 omgir anoden. Eventuelle partikler av anoden som faller av, vil bli holdt oppe av membranet for kontinuerlig reaksjon. Anoden kan også være en hvilken som helst andel hydrert og kalsinert oksyd for å redusere sprekking. Maksimal mengde hydrert oksyd som kan benyttes frembringer en energibesparelse ved kalsine-ringen. Any cracking or breaking up of the anode due to driven moisture causes no difficulty provided that the membrane as shown in Figure 5 surrounds the anode. Any particles of the anode that fall off will be held up by the membrane for continuous reaction. The anode can also be any proportion of hydrated and calcined oxide to reduce cracking. The maximum amount of hydrated oxide that can be used produces an energy saving during the calcination.
Størrelsen og overflaten på partiklene som utgjør anoden som inneholder aluminiumoksyd, har ikke vist noen føl-somhet med hensyn på reaksjonshastigheten for anoden. Disse karakteristiske trekk ved den foreliggende oppfinnelse står i motsetning til tidligere erfaring ved reduksjon av A^O-j og karbon med klor som en gass-fastfase-reaksjon i en ovn. Tidligere er det påvist at reaksjonstemperaturen og hastig-heten er meget følsom overfor partikkelstørrelse og spesi-fikke overflate på partiklene. The size and surface of the particles that make up the anode containing aluminum oxide have not shown any sensitivity with respect to the reaction rate of the anode. These characteristic features of the present invention stand in contrast to previous experience in the reduction of A^O-j and carbon with chlorine as a gas-solid phase reaction in a furnace. It has previously been shown that the reaction temperature and speed are very sensitive to particle size and the specific surface of the particles.
Det er vanligvis ønsket i tidligere teknikker å benytte et aluminiumoksyd med 'en spesifikk overflate på 10 til 125 m /gi AlCl^-reaksjonen. I den foreliggende oppfinnelse er det imidlertid ingen følsomhet påvist med hensyn til reaksjonshastigheten hos anoden basert på partikkelstørrelse eller spesifikk overflate. Det vil si at A^O^med en<v>overflate på 0,5 m/g eller mindre tilsynelatende reagerte like lett som A120-^med en overflate på 100 m<2>/g. Disse resulta tene er basert på eksperimenter med anoder som inneholder aluminiumoksyd med partikler med forskjellig overflate ogstør-reise. Anode-strømtettheter fra 0,32 til 6, k amp/cm ble kjørt i cellene med en utløpsledning forbundet med en stiv-, else-jod indikator for klorpåvisning. Ingen klorgass ble påvist uansett strømtetthet eller overflate på aluminiumoksyd. Dette antyder at om eventuelt klor frembringes ved anoden, vil denne fullstendig reagere og danne aluminiumklorid eller at bare aluminium-ioner dannes ved anoden fra AlgO^mens oksygen fra Al^O^går sammen med karbon og danner CO2. Man antar at for å frembringeiclor ved anoden, vil det være nød-vendig å sette potensialet så høyt at man overvinner dekom-poneringspotensialet ved AlCl^, men selv da vil det frembragte klor antagelig reagere med Al£0^og karbon og frembringe mer AlCl^snarere enn å utvikle klor ved anoden. It is usually desired in the prior art to use an alumina with a specific surface area of 10 to 125 m/g for the AlCl 2 reaction. In the present invention, however, no sensitivity has been demonstrated with respect to the reaction rate at the anode based on particle size or specific surface area. That is, A^O^with a surface area of 0.5 m/g or less apparently reacted as readily as A120-^with a surface area of 100 m<2>/g. These results are based on experiments with anodes containing aluminum oxide with particles of different surface and size. Anode current densities from 0.32 to 6.k amp/cm were run in the cells with an outlet line connected to a rigid, else-iodine indicator for chlorine detection. No chlorine gas was detected regardless of current density or surface of aluminum oxide. This suggests that if any chlorine is produced at the anode, this will completely react and form aluminum chloride or that only aluminum ions are formed at the anode from AlgO^ while oxygen from Al^O^ combines with carbon and forms CO2. It is assumed that in order to produce chlorine at the anode, it will be necessary to set the potential so high that one overcomes the decomposition potential of AlCl^, but even then the chlorine produced will presumably react with Al£0^ and carbon and produce more AlCl ^rather than evolving chlorine at the anode.
Anoder for bruk i elektrolyseceller kan fremstilles i en rekke former og en rekke fremgangsmåter. En blanding av aluminiumoksyd-materiale og reduserende middel kan danne anoden på en hvilken som helst hensiktsmessig måte. For eksempel kan en blanding bindes til en typisk elektrode og danne et belegg som omgjør alle eller en side av elektroden som vist i figur 2 i tegningene. Man vurderer også at anodematerialet kan danne anoden ved å formes i en hvilken som helst passende form som festes til den ene ende av elektrode-stangen eller pinnen på en måte som er vist i figur 3 i teg-ningen. Det er også mulig å møte kravene ifølge oppfinnelsen å fremstille anoden på en annen måte enn å ha en fysisk bind-ing direkte til elektroden. Det er imidlertid ønskelig at det aluminiumholdige materialet er i intim fysisk kontakt med det karbonholdige materialet eller et annet reduserende middel. Det siste forhold kan benyttes hvis blandinger av aluminiumholdige materialer og reduserende middel foreligger i form av en homogen blanding av pulver, små kuler av blandede pulvere eller større, sammensatte buketter av slike dannede materialer som kan være fremstilt ved støping eller ekstrudering i varierende størrelse fra 0,025 til 25 mm eller mer. Jevnhet i fordelingen av karbon og aluminiumoksyd har vist seg<*>'å~være ønskelig for.å få maksimal anode-effektivitet under oppløs-ningen eller reaksjonen under elektrolysen. ;For å holde det aluminiumholdige materialet og det reduserende middel som utgjør de anodiske materialer i'området av elektroden og således i en kombinasjon som utgjør anoden, kan en beholder i form av et porøst membran benyttes. ;For kommersiell bruk, bør anoden være så ledende som mulig. Siden anoden ifølge oppfinnelsen ikke er fast eller rent karbon som tradisjonelt benyttes i Hall-cellen, vil den være mindre ledende på grunn av nærvær av aluminiumforbindelsen. Hvis anoden fikle bli så lite ledende som saltelektro-lytten ville vannbalansen påvirkes på grunn av overoppvarming som kan finne sted som et -resultat av samme strøm føres igjennom anoden med mer motstand. Når man for eksempel benytter en fast, sammensatt anode som vist i figur 3 i cellen i figur 1, -er det nødvendig for den elektriske strøm å gå gjennom anoden fra topp til bunn, hvor strømtapene overføres til oppvarming av badet. Det er derfor ønskelig å fremstille en anode som har så høy ledningsevne som mulig. Desto mer ledende anodematerialet er, desto lavere vil energiforbruket for å utvinne metallet bli, men i ethvert tilfelle bør ledningsevnen i anoden være større enn ledningsevnen i saltet for optimal drift. Spesielt er det ønskelig å nå et mål for maksimal fremstilling av aluminium med minimalt energiforbruk, blir motstanden i anoden vesentlig. ;Det er påvist at ledningsevnen i anoden varierer betraktelig avhengig av fremstillingspros essen. Parameterene som har vist seg å påvirke ledningsevnen er forholdet mellom karbonholdige bindematerialer så som tjære, karbon eller koks-partikler som tilføres den sammensatte anode som kilde for reduserende middel og typen aluminiumoksyd. Desto større kar-boninnholdet i anoden er, innenfor de foran angitte forhold mellom aluminiumoksyd og reduserende middel, desto større er ledningsevnen. Det er for eksempel mulig når man benytter et forhold i området k/ l til G/ l aluminiumoksyd og karbon, å fremstille en fast, sammensatt anode som har minst en tiendel av ledningsevnen i en standard Hall-Heroult-anode. ;For å redusere energitapet gjennom den sammensatte anode, er flere alternativer også vist i figurene 2, 2S,"2B og kA. ;For å få høyere ledningsevne og redusere energitapet gjennorn den sammensatte, forbakte anode benytter en annen ut-førelse i en eller flere ledende kjerner 36 og 37 plassert i anoden som vist i figurene 2, 2A og 2B eller en rekke, vertikalt, plasserte ledningsstenger 39 som*vist i figur hA. Anodes for use in electrolytic cells can be produced in a number of forms and by a number of methods. A mixture of alumina material and reducing agent may form the anode in any convenient manner. For example, a mixture may bond to a typical electrode and form a coating that surrounds all or one side of the electrode as shown in Figure 2 of the drawings. It is also considered that the anode material can form the anode by being formed into any suitable shape which is attached to one end of the electrode rod or pin in a manner shown in Figure 3 of the drawing. It is also possible to meet the requirements according to the invention to produce the anode in a different way than having a physical bond directly to the electrode. However, it is desirable that the aluminum-containing material is in intimate physical contact with the carbon-containing material or another reducing agent. The last ratio can be used if mixtures of aluminum-containing materials and reducing agents are in the form of a homogeneous mixture of powders, small balls of mixed powders or larger, composite bouquets of such formed materials which can be produced by casting or extrusion in varying sizes from 0.025 to 25 mm or more. Uniformity in the distribution of carbon and aluminum oxide has been shown to be desirable in order to obtain maximum anode efficiency during the dissolution or reaction during the electrolysis. In order to keep the aluminum-containing material and the reducing agent that make up the anodic materials in the area of the electrode and thus in a combination that makes up the anode, a container in the form of a porous membrane can be used. ;For commercial use, the anode should be as conductive as possible. Since the anode according to the invention is not solid or pure carbon which is traditionally used in the Hall cell, it will be less conductive due to the presence of the aluminum compound. If the anode were to become as little conductive as the salt electrolyte, the water balance would be affected due to overheating which could take place as a result of the same current being passed through the anode with more resistance. When, for example, a fixed, composite anode is used as shown in Figure 3 in the cell in Figure 1, it is necessary for the electric current to pass through the anode from top to bottom, where the current losses are transferred to heating the bath. It is therefore desirable to produce an anode that has as high a conductivity as possible. The more conductive the anode material is, the lower the energy consumption to extract the metal will be, but in any case the conductivity of the anode should be greater than the conductivity of the salt for optimal operation. In particular, it is desirable to reach a target for maximum production of aluminum with minimal energy consumption, the resistance in the anode becomes significant. It has been shown that the conductivity of the anode varies considerably depending on the manufacturing process. The parameters that have been shown to affect the conductivity are the ratio between carbonaceous binder materials such as tar, carbon or coke particles which are supplied to the composite anode as a source of reducing agent and the type of alumina. The greater the carbon content in the anode, within the aforementioned ratios between aluminum oxide and reducing agent, the greater the conductivity. It is possible, for example, when using a ratio in the range k/l to G/l of aluminum oxide and carbon, to produce a solid, composite anode that has at least one-tenth the conductivity of a standard Hall-Heroult anode. To reduce the energy loss through the composite anode, several alternatives are also shown in figures 2, 2S, 2B and kA. several conductive cores 36 and 37 placed in the anode as shown in figures 2, 2A and 2B or a series of vertically placed conductor rods 39 as shown in figure hA.
Den sammensatte anode 26A vist i figur 2, har en ledende, sentral kjerne 36 som kan være karbon eller grafitt støpt inn i den sammensatte anode eller det sammensatte anodematerialet 38 støpt eller belagt på en ledende kjerne fremstilt på forhånd. Den sentrale kjerne 36 kan også være et metall så som det samme metall som påføres, for eksempel aluminium. Det ytre-av lederen 36 belagt på en side for bipolar bruk eller omgitt på begge sider for flerpolar bruk av matrisen 38 av sammensatt anodemateriale som består av en blanding av aluminiumoksyder og reduserende middel som beskrevet foran. Når man belegger på en enkel side forutsetter man en bipolar operasjon. Uttrykket "oksyder" skal omfatte også silikater, som ofte er en kombinasjon av metalloksyd og siliciumoksyd og eventuelle andre forbindelser som inneholder oksygen av aluminium som skal påføres. The composite anode 26A shown in Figure 2 has a conductive central core 36 which may be carbon or graphite cast into the composite anode or the composite anode material 38 cast or coated on a conductive core prepared in advance. The central core 36 can also be a metal such as the same metal that is applied, for example aluminum. The exterior of the conductor 36 coated on one side for bipolar use or surrounded on both sides for multipolar use by the matrix 38 of composite anode material consisting of a mixture of aluminum oxides and reducing agent as described above. When coating on a single side, a bipolar operation is assumed. The term "oxides" shall also include silicates, which are often a combination of metal oxide and silicon oxide and any other oxygen-containing compounds of aluminum to be applied.
For anoder med stor størrelse er en annen utførelse vist i figur 2A og 2B. For å forbedre ledningsevnen, fore-trekker man å bruke stenger 36 og 37 av rent aluminium som elektriske lednings-bussinger i en matrise av det sammensatte anodematerialet 38 som kan være av Søderberg-typen. Siden rent aluminium benyttes for å fremstille ledningsstengene, vil det smelte etterhvert som anoden forbrukes og føres sammen med katodemetallet i en kontinuerlig syklus. Stengene er plassert slik at spennings tapet reduseres i forhold til ledningsevnen for den sammensatte anode. I figur 2B, er ledningsstengene 36 forbundet til en plate hO, festet til en sentral leder hl. For large size anodes, another embodiment is shown in Figures 2A and 2B. In order to improve the conductivity, it is preferred to use rods 36 and 37 of pure aluminum as electrical wire bushings in a matrix of the composite anode material 38 which may be of the Søderberg type. Since pure aluminum is used to make the lead bars, it will melt as the anode is consumed and be carried along with the cathode metal in a continuous cycle. The rods are placed so that the voltage loss is reduced in relation to the conductivity of the composite anode. In Figure 2B, the wire rods 36 are connected to a plate hO, attached to a central conductor hl.
Antall og størrelse av lederne 36 og 37 er valgt på basis av anodestørrelse, strømtetthet ved anoden, cellestør-relse, driftstemperatur og varmeoverføring slik at aluminiums-lederne 36 og 37 smelter med samme hastighet som matrisen 38 av anoden forbrukes med. Den enestående fordel ved anodeut-førelsene vist i figurene 2A og 2B, er at man unngår store spenningsfall i anoder med relativt høy motstand, slik at prosessen kan drives ved vesentlig redusert energiforbruk. Størrelsen på aluminiumsstengene ligger i et diameterområde som går i fra 0,l6 til 7i5cm og fortrinnsvis fra 0,3 til 5,0 cm og helst fra 0,6 til 2,5 cm. The number and size of the conductors 36 and 37 are chosen on the basis of anode size, current density at the anode, cell size, operating temperature and heat transfer so that the aluminum conductors 36 and 37 melt at the same rate as the matrix 38 of the anode is consumed. The unique advantage of the anode designs shown in Figures 2A and 2B is that large voltage drops are avoided in anodes with relatively high resistance, so that the process can be operated with significantly reduced energy consumption. The size of the aluminum rods lies in a diameter range ranging from 0.16 to 7.5 cm and preferably from 0.3 to 5.0 cm and most preferably from 0.6 to 2.5 cm.
For å oppnå den ønskede ledningsevne i anoden, er avstanden mellom den ytre overflate av den sammensatte anode 38 og overflaten av en eventuell aluminiumsstang i figur 2, 2A eller 2B og den gjensidige avstand mellom de ytre overflater av disse aluminiumsstenger i figurene 2A og 2B, ikke kritisk og kan variere fra 0,3 til 60 cm og fortrinnsvis fra 2,5 til 15 cm, og helst fra 3»8 til 10 cm. Som et eksempel, hvis ledningsevnen i den sammensatte anode er ca. 0,1 av en standard, forbakt Hall-celle anode, vil en avstand mellom aluminiums s tengene på ca. 7»5cm resultere i et akseptabelt spenningsfall . To achieve the desired conductivity in the anode, the distance between the outer surface of the composite anode 38 and the surface of any aluminum rod in Figure 2, 2A or 2B and the mutual distance between the outer surfaces of these aluminum rods in Figures 2A and 2B, not critical and can vary from 0.3 to 60 cm and preferably from 2.5 to 15 cm, and preferably from 3.8 to 10 cm. As an example, if the conductivity of the composite anode is approx. 0.1 of a standard, pre-baked Hall-cell anode, a distance between the aluminum pins of approx. 7"5cm result in an acceptable voltage drop.
Siden driftstemperaturen i cellen vanligvis er 700° til 750°C, kan aluminiumsstengene fremstilles slik at de vil smelte med omtrent samme hastighet som anoden forbrukes og vil således overføre energi til bunnen av anoden. Hvis dia-meteren i aluminiumstangen er for stor, vil den ikke smelte og salt vil fryse over overflaten med det resultat at anoden som forbrukes etterlater en aluminium-stubbe som vil kort-slutte til katoden etterhvert som anoden føres frem. Hvis stangdiameteren er for liten, vil den smelte tilbake så langt inn i anoden at man får et stort spenningstap på grunn av en Ifinger ledningsvei. Det er ønskelig at aluminiumsstengene smelter tilbake i anoden i en viss grad, snarere enn å være på samme nivå som bunnoverflaten av anoden. Dette er fordi at anodisk oksydasjon av aluminiumsstengene da vil reduseres. Ønskelig tilbakesmeltingsavstand er basert på det som gir et minimalt spenningsfall, koplet med minimal anodisk oksydering av aluminiumsstengene. Dersom stengene forblir i nivå med bunnoverflaten av anoden, vil det være en tendens til at aluminium-ioner føres inn i badet fra stengene (som i en rafi-neringsoperasjon) og likeledes fra det sammensatte anodematerialet, noe som vil redusere cellens Faradaic effektivitet. Varmen kan balanseres slik at ledningen fra badet opp gjennom anoden og energi generert gjennom lederne, balanseres slik at man får den ønskede grad av smelting i de ledende Since the operating temperature of the cell is usually 700° to 750°C, the aluminum rods can be made so that they will melt at about the same rate as the anode is consumed and will thus transfer energy to the base of the anode. If the diameter of the aluminum rod is too large, it will not melt and salt will freeze over the surface with the result that the anode that is consumed leaves behind an aluminum stub that will short out to the cathode as the anode is advanced. If the rod diameter is too small, it will melt back so far into the anode that you get a large voltage loss due to an I-finger wire path. It is desirable that the aluminum bars melt back into the anode to some extent, rather than being flush with the bottom surface of the anode. This is because anodic oxidation of the aluminum rods will then be reduced. Desirable remelting distance is based on what gives a minimal voltage drop, coupled with minimal anodic oxidation of the aluminum bars. If the rods remain level with the bottom surface of the anode, there will be a tendency for aluminum ions to be introduced into the bath from the rods (as in a refining operation) and likewise from the composite anode material, which will reduce the Faradaic efficiency of the cell. The heat can be balanced so that the line from the bath up through the anode and energy generated through the conductors are balanced so that you get the desired degree of melting in the conducting
aluminiums tengene.aluminum pliers.
Figur 3 beskriver et annet alternativ i sammensetningen av en anode-elektrode som vist ved 26B. I denne ut-førelsen, består elektroden 26B av et sammensatt materiale 38, som kan være det samme som belegget 38 i figur 2, men som er formet til en passende form for bruk som elektrode. Denne Figure 3 describes another alternative in the composition of an anode electrode as shown at 26B. In this embodiment, the electrode 26B consists of a composite material 38, which may be the same as the coating 38 in Figure 2, but which is formed into a suitable shape for use as an electrode. This
formen på elektroden kan støpes rundt en stubbe eller stang-elektrode 42 som strekker seg ut fra den øvre enden av lege-met av elektroden 26B for forbindelse med den vanlige elektriske krets. Eventuelt er elektroden 26B støpt og stubben 42 satt inn ved hjelp av kjente fremgangsmåter som benyttes ved forbakte Hall-celle anoder. the shape of the electrode may be molded around a stub or rod electrode 42 extending from the upper end of the body of the electrode 26B for connection to the common electrical circuit. Optionally, the electrode 26B is molded and the stub 42 inserted using known methods which are used for pre-baked Hall cell anodes.
En annen alternativ utførelse er den som er vist i figur 4A hvor en anode 26B er illustrert som har den samme sammensetning som beskrevet foran, men som er utstyrt med en rekke par vertikalt plasserte ledningsstenger 39 og til det laveste stangparet er en bussing 39A plassert direkte som i en Søderberg-type forbindelse. Plasseringen av stengene 39 er ikke kritisk og de kan Være loddrett på anode-aksen eller stå i en vinkel som vist. Etterhvert som det sammensatte anodematerialet forbrukes, føres ledningsforbindelsen 3 9 A oppover til det neste, høyere par stenger. Stengene består av aluminium som også forbrukes og som foran nevnt tilføres til bassenget av fremstilt aluminium. Eventuelt kan stengene være av jern som vanligvis benyttes i Søderberg-forbindelsene og stengene fjernes etterhvert som anoden forbrukes. Another alternative embodiment is that shown in Figure 4A where an anode 26B is illustrated which has the same composition as described above but which is provided with a series of pairs of vertically placed conductor bars 39 and to the lowest pair of bars a bushing 39A is placed directly as in a Søderberg-type connection. The position of the bars 39 is not critical and they can be vertical to the anode axis or stand at an angle as shown. As the composite anode material is consumed, the wire connection 3 9 A is carried upwards to the next, higher pair of bars. The rods consist of aluminum which is also consumed and, as mentioned above, supplied to the pool of manufactured aluminium. Optionally, the rods can be made of iron, which is usually used in the Søderberg connections, and the rods are removed as the anode is consumed.
Utførelsene i figurene 12 og 13 viser en variasjon når det gjelder å føre elektrisk energi til arbeidsoverfla-ten i anoden. Som vist, er blokken 9^- i den sammensatte anode A laminert med plater av aluminium-metall 108. Disse platene virker nøyaktig som aluminiumstengene i figurene 2A og 2B. Formen og antall laminater er ikke kritisk. Blokken kan ligge i kontinuerlig form og føres inn i cellen gjennom klemmen 47 som i figur 4, hvor til sammen med aluminiumpla-tene 108, den elektriske forbindelse gjøres. The designs in Figures 12 and 13 show a variation when it comes to conducting electrical energy to the working surface of the anode. As shown, the block 9^- of the composite anode A is laminated with sheets of aluminum metal 108. These sheets act exactly like the aluminum rods in Figures 2A and 2B. The shape and number of laminates are not critical. The block can lie in a continuous form and is introduced into the cell through the clamp 47 as in Figure 4, where together with the aluminum plates 108, the electrical connection is made.
Antall, avstand og tykkelse på aluminiumplåtene 108 bestemmes av de samme faktorer som er beskrevet med hensyn til lederne 36 og 37. Vanligvis vil tykkelsen på aluminium- platene variere fra 0,025 til 12,5 mm og fortrinnsvis fra 0,25 til 9>k mm og fortrinnsvis fra 0,25 til 6,25 mm. Aluminiumsplatene må være av tilstrekkelig tykkelse til å føre den nødvendige strøm til å unngå vesentlige spenningsfall og må også smelte inn i katodebassenget etterhvert som anoden forbrukes. Avstanden mellom aluminiumsplatene 108 er slik at man skal unngå for stort spennings tall gjennom den sammensatte blokkken som beskrevet med hensyn til lederne 36 og 37»Vanligvis vil avstanden variere fra 0,3 til 60 cm og fortrinnsvis fra 2,5 til 15 cm og helst fra 3>7til 10 cm. The number, spacing and thickness of the aluminum plates 108 are determined by the same factors described with respect to the conductors 36 and 37. Typically, the thickness of the aluminum plates will vary from 0.025 to 12.5 mm and preferably from 0.25 to 9>k mm and preferably from 0.25 to 6.25 mm. The aluminum plates must be of sufficient thickness to carry the necessary current to avoid significant voltage drops and must also melt into the cathode pool as the anode is consumed. The distance between the aluminum plates 108 is such that excessive stress is avoided through the composite block as described with respect to the conductors 36 and 37. Usually the distance will vary from 0.3 to 60 cm and preferably from 2.5 to 15 cm and preferably from 3>7 to 10 cm.
MembranerMembranes
Membranet som vist i figur 5 skal ha en tredelt funksjon eller evne. The membrane as shown in figure 5 must have a threefold function or ability.
Først virker membranet som separator eller en bar-riere mellom den smeltede, katodiske metallfase og kilden for anodematerialet som skal elektrolyseres. Ved bruk av membranet ifølge oppfinnelsen, kan avstanden reduseres vesentlig for å frembringe en vesentlig økning i ledningsevnen og effektiviteten uten noen turbulente virkninger som ellers kan frembringe en reduksjon i effektiviteten eller kvaliteten hos aluminiumproduktet. First, the membrane acts as a separator or a barrier between the molten, cathodic metal phase and the source of the anode material to be electrolysed. When using the membrane according to the invention, the distance can be significantly reduced to produce a significant increase in conductivity and efficiency without any turbulent effects that could otherwise produce a reduction in the efficiency or quality of the aluminum product.
For det annet holder membranet ifølge oppfinnelsen, fysisk på plass materialer i den sammensatte anoden som for eksempel kan omfatte aluminiumholdige råmaterialer og det reduserende middel. Dette holder disse materialene nær elektroden og danner en anode for fremstilling av aluminium-ioner på den mest effektive måte. Membranet hindrer også blanding av råmaterialene med smeltet aluminium i cellebunnen. Dersom et hydrert metalloksyd så som hydrert aluminiumoksyd, skulle benyttes som en av anodematerialene, vil membranet holde på plass eventuelle stykker av anodematerialet som kan brekkes av på grunn av utvikling av fuktighet fra aluminiumoksydet under forkoksingen. Disse stykkene fortsetter å være en kilde for aluminium gjennom reduks j onsreaks j onen så lenge som de er innenfor anodekretsen i membranet. Secondly, the membrane according to the invention physically holds in place materials in the composite anode which, for example, may include aluminium-containing raw materials and the reducing agent. This keeps these materials close to the electrode and forms an anode for producing aluminum ions in the most efficient way. The membrane also prevents mixing of the raw materials with molten aluminum in the cell bottom. If a hydrated metal oxide such as hydrated aluminum oxide were to be used as one of the anode materials, the membrane would hold in place any pieces of the anode material that could break off due to the development of moisture from the aluminum oxide during coking. These pieces continue to be a source of aluminum through the reduction reaction as long as they are within the anode circuit of the membrane.
For det tredje tillater membranet fri passasje av ioneforbindelser og oppløste faste stoffer i elektrolytten, men vil ikke føre gjennom og vil stort sett forkaste smeltet aluminium og uoppløste, faste materialer som utgjør devanlige urenheter som er tilstede i aluminiumkilden og hindrer for-urensning av katodebelegget. Thirdly, the membrane allows the free passage of ionic compounds and dissolved solids in the electrolyte, but will not pass through and will largely reject molten aluminum and undissolved solid materials that constitute such impurities as are present in the aluminum source and prevent contamination of the cathode coating.
Den ytre form på membranet er ikke viktig og det kan foreligge i form av en sylinder, prisme etc. eller deler av disse. For eksempel kan membranet ha en tre- eller fire-sidet form med en bunn og således danne en innelukket beholder. Denne beholderen er konstruert slik at den holder de anodiske råmaterialer på plass for reaksjon i saltbadet. The external shape of the membrane is not important and it can be in the form of a cylinder, prism etc. or parts of these. For example, the membrane can have a three- or four-sided shape with a bottom and thus form an enclosed container. This container is designed to hold the anodic raw materials in place for reaction in the salt bath.
På grunn.av korroderende natur i det smeltede saltbad, er valg av materialer som skal utgjøre membranet viktig for levetiden på cellen og for prosessens suksess. Hvis elektrolytten som skal benyttes er et rent kloridbad, er valgene for membran noe større på grunn av den reduserte korroderende karakter i et slikt bad sammenliknet med et bad som inneholder fluorider. Bad som inneholder noen fluorider er imidlertid foretrukket på grunn av deres lavere flyktighet. Due to the corrosive nature of the molten salt bath, the choice of materials that will make up the membrane is important for the life of the cell and for the success of the process. If the electrolyte to be used is a pure chloride bath, the choices for membrane are somewhat greater due to the reduced corrosive nature of such a bath compared to a bath containing fluorides. However, baths containing some fluorides are preferred because of their lower volatility.
Rene fluorid-bad har andre fordeler som er nevnt foran. Materialer som passer for bruk i fluorid-bad vil selvsagt være nyttige i de mindre korroderende, kloridbad. Pure fluoride baths have other advantages mentioned above. Materials suitable for use in fluoride baths will of course be useful in the less corrosive, chloride baths.
Blant de materialer som har vist seg å være nyttige er karbon glass-skum, karbon eller grafitt som et porøst fast stoff eller porøse faste stoffer av ildfaste harde metaller, så som nitrider av bor, aluminium, silicium (deriblant oksy-nitrit), titan, hafnium, zirkonium og tantal; silicider av molybden, tantal og volfram; karbider av hafnium, tantal, niob, zirkonium, titan, silicium, bor og volfram; og borider av hafnium, tantal, zirkonium, niob, titan og silicium. Andre ildfaste, harde metaller som er kjent kan vise seg å være nyttige å danne membranet forutsatt at de er motstandsdyktige overfor det smeltede saltbad. Among the materials that have been found useful are carbon glass foam, carbon or graphite as a porous solid or porous solids of refractory hard metals, such as nitrides of boron, aluminium, silicon (including oxy-nitrite), titanium , hafnium, zirconium and tantalum; silicides of molybdenum, tantalum and tungsten; carbides of hafnium, tantalum, niobium, zirconium, titanium, silicon, boron and tungsten; and borides of hafnium, tantalum, zirconium, niobium, titanium and silicon. Other refractory hard metals known may prove useful in forming the membrane provided they are resistant to the molten salt bath.
De ildfaste, harde metaller som danner membranet ifølge oppfinnelsen, kan fremstilles i form av en duk, matte, filt, skum, porøs sinteret fast base eller som et belegg på en slik base, og alle i og for seg er kjent. Membranet må også møte spesielle standarder med hensyn på gjennomgående porøsitet og forbundet porestørrelse. The refractory, hard metals that form the membrane according to the invention can be produced in the form of a cloth, mat, felt, foam, porous sintered solid base or as a coating on such a base, and all are known in and of themselves. The membrane must also meet special standards with regard to through porosity and connected pore size.
Disse to egenskaper kan defineres på følgende måte: gjennomgående porøsitet - prosentandelen av det totale volum i membranet som utgjøres av passasjer som går gjennom fra én side av membranet til en annenj These two properties can be defined as follows: through porosity - the percentage of the total volume in the membrane that is made up of passages passing through from one side of the membrane to anotherj
forbundet porestørrelse - den minste diameter i en passasje gjennom membranet. connected pore size - the smallest diameter in a passage through the membrane.
Gjennomgående porøsitet varierer med arten membran-materiale, temperaturen i det smeltede bad og saltsammenset-ningen, men en felles egenskap for nyttige membraner er at porøsiteten må være- tilstrekkelig til å føre alle metall-ioner så som aluminium, og alle elektrolyttsalter uten at uoppløs-te urenheter føres igjennom. Det er blitt påvist at desto større porøsiteten er, desto større er strømgjennom-føringen, og desto større er altså den elektriske effektivitet i cellen. Porøsiteten kan variere fra 1 til 971?0 eller mer, men vanligvis er den i området 30 til 70$>. Den fore-trukkede porøsitet for å få den største effektivitet er fra 90 til 97$ område. Et karbonglass-skum er for eksempel i stand til å gi en slik høy porøsitet og samtidig beholde tilstrekkelig mekanisk styrke. Through-hole porosity varies with the type of membrane material, the temperature in the molten bath and the salt composition, but a common property for useful membranes is that the porosity must be sufficient to pass all metal ions such as aluminium, and all electrolyte salts without undissolving -te impurities are passed through. It has been demonstrated that the greater the porosity, the greater the current flow, and thus the greater the electrical efficiency in the cell. The porosity can vary from 1 to 971?0 or more, but usually it is in the range of 30 to 70$>. The preferred porosity to obtain the greatest efficiency is from the 90 to 97$ range. A carbon glass foam, for example, is able to provide such a high porosity and at the same time retain sufficient mechanical strength.
Den forbundne porestørrelse må være liten nok til å forkaste faste urenheter som ikke er oppløst, men stor nok til å føre gjennom ioniske og oppløste partikler. Vanligvis er den akseptable porestørrelse mellom en mikron og en cm. The connected pore size must be small enough to reject undissolved solid impurities, but large enough to pass through ionic and dissolved particles. Generally, the acceptable pore size is between one micron and one cm.
Tykkelsen på membran-materialet er en funksjon av porøsiteten, porestørrelsen og evnen til å holde tilbake uoppløste, urene faste stoffer og smeltet metall. Desto tyk-kere membranet er, desto større er åpenbart den elektriske motstand. Det er derfor ønskelig å bruke et så tynt membran som er praktisk forenlig med porøsiteten og porestørrelsen og som er i overensstemmelse med den mekaniske styrke av membranet i stilling i cellen. Foretrukne størrelser er fra 3 til 12,5 mm, men den kan være så tykk som 50 mm eller mer. The thickness of the membrane material is a function of its porosity, pore size and ability to retain undissolved, impure solids and molten metal. The thicker the membrane, the greater the electrical resistance is obviously. It is therefore desirable to use such a thin membrane which is practically compatible with the porosity and pore size and which is in accordance with the mechanical strength of the membrane in position in the cell. Preferred sizes are from 3 to 12.5 mm, but it can be as thick as 50 mm or more.
Typiske membran-materialer som har vist seg å være nyttige, omfatter men er ikke begrenset til- karbonglas&-skum, karbon eller grafitt i form av et porøst, fast stoff, filt eller duk, aluminium-nitrid, silicium-nitrid, silicium karbid, silicium oksynitrid, bor-nitrid og titan-nitrid som et porøst, fast stoff, som en duk eller som et belegg på overflaten av karbonglass-skum eller porøs grafitt. Aluminium-nitrid synes å være det mest ønskelige materialet. Det er påvist at aluminium-nitrid hensiktsmessig kan fremstilles i en porøs struktur ved først å lage en porøs aluminium-oksyd struktur som deretter impregneres med karbon fulgt av oppvarming til 1750°C i en nitrogenatmosfære for å omdanne aluminiumoksyd til aluminium-nitrid. Slik fremgangsmåte fører til en sterk, porøs struktur som er kjemisk forenlig med det korroderende salt-miljø og smeltet aluminium-? Typical membrane materials that have been found to be useful include, but are not limited to, carbon glass & foam, carbon or graphite in the form of a porous solid, felt or cloth, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, silicon oxynitride, boron nitride and titanium nitride as a porous solid, as a cloth or as a coating on the surface of carbon glass foam or porous graphite. Aluminum nitride appears to be the most desirable material. It has been demonstrated that aluminum nitride can conveniently be produced in a porous structure by first creating a porous aluminum oxide structure which is then impregnated with carbon followed by heating to 1750°C in a nitrogen atmosphere to convert aluminum oxide to aluminum nitride. Such a process leads to a strong, porous structure that is chemically compatible with the corrosive salt environment and molten aluminum?
Sammensetning på det smeltede bad.Composition of the molten bath.
Det elektrolyttiske bad ifølge oppfinnelsen kan variere betraktelig sammenliknet med en typisk Hall-celle salt-sammensetning. I den foreliggende oppfinnelse, kan bad-sammensetningen omfatte et hvilket som helst halogenidsalt, og spesielt er klorid og fluorid foretrukket. Et hvilket som helst alkali eller jord-alkali metall så som spesielt natrium, kalium, litium, kalsium, magnesium, barium og liknende kan benyttes for å fremstille halogenidsaltene. The electrolytic bath according to the invention can vary considerably compared to a typical Hall cell salt composition. In the present invention, the bath composition may comprise any halide salt, and in particular chloride and fluoride are preferred. Any alkali or alkaline earth metal such as especially sodium, potassium, lithium, calcium, magnesium, barium and the like can be used to prepare the halide salts.
Der er ingen kritisk sammensetning eller områder for egenskaper som er ønskelige eller nødvendige. Det er blitt observert at intet aluminiumsalt behøver være tilstede ved begynnelsen av elektrolysen for å frembringe aluminium under en elektrolyse som benytter den sammensatte anode. For eksempel vil en salt-efektrolytt som inneholder bare alkali og/ eller jord-alkali halogenider frembringe aluminium-metall ved kanoden når man benytter den sammensatte anode og uten noen "anode-effekt". There is no critical composition or range of properties that are desirable or necessary. It has been observed that no aluminum salt needs to be present at the start of the electrolysis to produce aluminum during an electrolysis using the composite anode. For example, a salt effect electrolyte containing only alkali and/or alkaline earth halides will produce aluminum metal at the anode when using the composite anode and without any "anode effect".
Det er vanligvis foretrukket at saltbad i utgangs-punktet inneholder et aluminiumhalogenid, selv om dette ikke er nødvendig i overensstemmelse med oppfinnelsen. Når det dreier seg om bad som inneholder AlCl^som kan inneholde bare klorid anioner eller både klorid og fluorid anioner, kan aluminium-klorid-konsentrasjonen være 2 til 60$>, men kan også være i området 1 til 95 vektprosent AlCl^. Badet som bare inneholder fluorider, kan inneholde de samme fluoridsalter som er nevnt ovenfor og kan likeledes inneholde aluminiumflu-orid i en hvilken som helst ønsket andel. It is usually preferred that the salt bath initially contains an aluminum halide, although this is not necessary in accordance with the invention. In the case of baths containing AlCl^ which may contain only chloride anions or both chloride and fluoride anions, the aluminum chloride concentration may be 2 to 60$>, but may also be in the range of 1 to 95 weight percent AlCl^. The fluoride-only bath may contain the same fluoride salts mentioned above and may likewise contain aluminum fluoride in any desired proportion.
Blant fordelene og ulempene ved de forskjellige elektrolytt- typer finner man at alle klorid-bad har meget lav toleranse overfor oksyd-kontaminering, men har meget høy ledningsevne og er minst korroderende overfor ildfast materialer og cellekomponenter. Among the advantages and disadvantages of the different electrolyte types, one finds that all chloride baths have a very low tolerance to oxide contamination, but have very high conductivity and are the least corrosive to refractory materials and cell components.
Elektrolytter som inneholder fluorid vil aluminium utvikles som dråper som lett flyter sammen, men den korroderende virkning av elektrolytten overfor ildfast materialene og cellekomponentene øker"meget. Electrolytes containing fluoride will develop aluminum as droplets that easily flow together, but the corrosive effect of the electrolyte towards the refractory materials and cell components increases "a lot".
En litium-komponent i en hvilken som helst elektrolytt vil øke ledningsevnen, men dette er kostbart og øker omkostningene ved elektrolytten. I driften må man finne en balanse med hensyn til elektrolyttomkostningen-, ledningsevnen hos elektrolytten og det resulterende energiforbruk for å fremstille aluminium. A lithium component in any electrolyte will increase conductivity, but this is expensive and increases the cost of the electrolyte. In operation, a balance must be found with regard to the electrolyte cost, the conductivity of the electrolyte and the resulting energy consumption to produce aluminium.
Den foretrukne elektrolytt er en balanse av økonomi med hensyn til salt-komponenter, ledningsevne, korroderende virkning overfor ildfaste materialer og cellekomponenter, toleranse overfor oksydkontaminering og sammenløpning av det fremstilte aluminium i et basseng for lett utnyttelse. The preferred electrolyte is a balance of economy with respect to salt components, conductivity, corrosiveness to refractories and cell components, tolerance to oxide contamination, and pooling of the produced aluminum in a pool for easy utilization.
EKSEMPLENETHE EXAMPLES
Eksempel 1Example 1
I figur 1, er anodene grafittplater hvor katode-elektroden er en titan-diboridplate. Anoden ble fremstilt med et belegg 38 som vist i figur 2 som bestod av A^O^renset ved Bayer-pros essen, kalsinert til 1000°C og blandet med en vektandel på fem deler Al^O^til en del karbon i et forkoksningstrinn. Karbonet ble tilveiebragt ved å blande A^O^ med en fenolharpiks og gradvis varme opp til 1000°C In Figure 1, the anodes are graphite plates where the cathode electrode is a titanium diboride plate. The anode was prepared with a coating 38 as shown in Figure 2 which consisted of Al^O^ purified by the Bayer process, calcined at 1000°C and mixed with a weight ratio of five parts Al^O^ to one part carbon in a coking step . The carbon was provided by mixing A^O^ with a phenolic resin and gradually heating to 1000°C
i en inert atmosfære for forkoksing av fenolharpiksen til karbon. Elektrodebelegget ble fremstilt ved å blande A^O^og fenolharpiks, påføring av blandingen på elektroden og oppvarming til forkoksingstemperatur. in an inert atmosphere to coke the phenolic resin to carbon. The electrode coating was prepared by mixing Al₂O₂ and phenolic resin, applying the mixture to the electrode and heating to coking temperature.
Elektrolytten bestod av en ekvimolær blanding av natrium-klorid og aluminium-klorid som dannet dobbeltsaltet NaAlCl^ved ca. 150°C. Temperaturen i cellen ble øket til 700°C og elektrolyse av A^O-j utført i flere timer, noe som frembragte et lag smeltet-aluminium på bunnen av cellen. Undersøkelse av anoden viste at belegget var oppløst og aluminium påført katoden. Dette belegget av aluminium tilsvarte aluminiuminnholdet i Al^O^som var oppløst i anoden. Den generelle, kontrollerende reaksjon antaes å være ionisering av Al20rji anoden med karbon som omsettes til primært å danne COg. Under elektrolysen så man intet tegn på eventuell klorgass som frigjort på anodene og i utløpsrøret. Utløpsgassen ble analysert, og viste seg hovedsaklig å være CC^. The electrolyte consisted of an equimolar mixture of sodium chloride and aluminum chloride which formed the double salt NaAlCl^ at approx. 150°C. The temperature in the cell was increased to 700°C and electrolysis of A2O-j was carried out for several hours, which produced a layer of molten aluminum on the bottom of the cell. Examination of the anode showed that the coating had dissolved and aluminum applied to the cathode. This coating of aluminum corresponded to the aluminum content of Al^O^ which was dissolved in the anode. The general, controlling reaction is assumed to be ionization of the Al20rji anode with carbon which is converted to primarily form COg. During the electrolysis, no sign of any chlorine gas released on the anodes and in the outlet pipe was seen. The outlet gas was analyzed and found to be mainly CC^.
Eksempel 2Example 2
Elektrolytten bestod av 63% NaCl, 17% LiCl, 10% LiF, 10% AlCl^og elektrodebelegget ifølge figur 2 ble fremstilt fra standard bauxit A^O-^og en petroleums-tjære som ble fcr-kokset for å frembringe et forhold mellom A^O^og karbon (forkokset) på 5,7 til 1. Elektrolys en ble utført i en celle ifølge figur 1 ved en temperatur på 750°C. Avstanden mellom anoden og katoden var 1,25 cm, noe som ga en strømtetthet på elektroden på-2,4 amp/cm<2>ved en påført spenning på 2,5 volt. Ingen klorgass kunne påvises fra anoden. Aluminium ble fremstilt. Den oppsamlede aluminium ble fremstilt ved en Faradaic effektivitet på 92% med et energiforbruk på 8,07 Kwh/kg. The electrolyte consisted of 63% NaCl, 17% LiCl, 10% LiF, 10% AlCl^ and the electrode coating according to Figure 2 was prepared from standard bauxite A^O-^ and a petroleum tar which was fcr-coked to produce a ratio of A^O^ and carbon (coked) of 5.7 to 1. Electrolysis was carried out in a cell according to Figure 1 at a temperature of 750°C. The distance between the anode and the cathode was 1.25 cm, which gave a current density on the electrode of -2.4 amp/cm<2>at an applied voltage of 2.5 volts. No chlorine gas could be detected from the anode. Aluminum was produced. The collected aluminum was produced at a Faradaic efficiency of 92% with an energy consumption of 8.07 Kwh/kg.
Eksempel 3Example 3
Elektrolyttsammensetningen var 10% NaCl, 50% CaCl2, 20% CaF2 , og 20% o AICI3. Elektrodebelegget i figur 2 ble fremstilt som i eksempel 2, men bare på en side av elektroden. De elektriske forbindelser ble laget slik at anoden som stod ved siden av utløpsrøret var forbundet til den positive polen og den negative polen til elektroden som var fjernet fra ut-løpsrøret. De belagte sider av elektroden 25 og 26 vendte hver bort fra utløpsrøret og mot katoden. Elektrode 2^-, ^katoden, var ikke belagt. Dette førte til at elektroden 25 ikke var fysisk forbundet til den direkte energitilførsel. Elektroden ble da bipolar. Siden belagt med AlgO^-C bland ingen har på denne måten en positiv ladning. Den side av den bipolare elektrode 25 som er nærmest utløpsrøret, blir negativt ladet, og aluminium utvikles her og synker inn i det smeltede basseng. Aluminium utvikles også på den negativt ladede elektrode 24 og synker inn i det smeltede basseng. Temperaturen i cellen var 800°C og den påførte spenning var 3 volt med hensyn på hver elektrode eller totalt 6 volt over polene. Den påførte spenning med en elektrode-avstand på 1,9 cm førte til en elektrode-strømtetthet på 1,9 ampere/cm 2. The electrolyte composition was 10% NaCl, 50% CaCl2, 20% CaF2, and 20% AICI3. The electrode coating in figure 2 was produced as in example 2, but only on one side of the electrode. The electrical connections were made so that the anode next to the outlet pipe was connected to the positive pole and the negative pole to the electrode that had been removed from the outlet pipe. The coated sides of the electrodes 25 and 26 each faced away from the discharge tube and towards the cathode. Electrode 2^-, ^the cathode, was not coated. This led to the electrode 25 not being physically connected to the direct energy supply. The electrode then became bipolar. The side coated with AlgO^-C among none has a positive charge in this way. The side of the bipolar electrode 25 nearest the discharge tube becomes negatively charged, and aluminum is developed here and sinks into the molten pool. Aluminum is also developed on the negatively charged electrode 24 and sinks into the molten pool. The temperature in the cell was 800°C and the applied voltage was 3 volts with respect to each electrode or a total of 6 volts across the poles. The applied voltage with an electrode spacing of 1.9 cm resulted in an electrode current density of 1.9 amps/cm 2 .
Eksempel 4Example 4
Anode-elektrodene var sammensatt av titan-diborid-stenger og katode-elektroden var også titan-diborid. Anodene var belagt med bauxit som i.'figur 2 som var kalsinert med 600°C, blandet med fenolharpiks og forkokset ved 800°C. Forholdet mellom aluminiumoksyd i bauxit og karbon etter forkoksingen var 6 til 1. Sammensetningen på elektrolytten var 20% NaCl, 30% CaCl2, 10% CaF2, 4% NaF, 36% AlCl^og cellen ble drevet til 750°C og en elektrode-tetthet på 2,4 amp/cm^. Dette førte til 4 volt ved en elektrode-avstand på ca. 1,9 cm. Ingen klorgass ble observert. Sammensetningen av aluminium som ble tilført det smeltede basseng var 97% aluminium, 0,5% Si, 1,5% Fe og 0,9% Ti med mindre mengder, andre bestandeler. The anode electrodes were composed of titanium diboride rods and the cathode electrode was also titanium diboride. The anodes were coated with bauxite as in figure 2 which was calcined at 600°C, mixed with phenolic resin and coked at 800°C. The ratio between alumina in bauxite and carbon after coking was 6 to 1. The composition of the electrolyte was 20% NaCl, 30% CaCl2, 10% CaF2, 4% NaF, 36% AlCl^ and the cell was operated at 750°C and an electrode- density of 2.4 amp/cm^. This led to 4 volts at an electrode distance of approx. 1.9 cm. No chlorine gas was observed. The composition of aluminum fed to the molten pool was 97% aluminium, 0.5% Si, 1.5% Fe and 0.9% Ti with minor amounts of other constituents.
Eksempel 5Example 5
Cellen i figur 5 benyttet et porøst membran av alu-miniumnitrid-materiale som var 4,7 mm tykt med 50% porøsitet og en porestørrelse i området 12 til 24 mikro. Aluminium-nitrid ble tilveiebragt ved å impregnere et porøst legeme av aluminiumoksyd med karbon og deretter varmet opp til 1750°C i en nitrogenatmosfære. Anodelederen var en grafittstang og det aluminiumholdige materialet i anoden var en Bayer A120^og karbonblandet pulver i et forhold 6 til 1. Elektrolyttsammensetningen var 20% NaCl, 25% LiCl, 30% LiF, 25% AlCl^og elektrolysen ble utført ved 720°C. Avstanden mellom membranet og aluminiumbassenget var ca. 1,25 cm og elektrolysen ble utført ved en strømtetthet på 1,6 amp/cm . Dette resul- terte i en spenning på 2,8 volt. Aluminium ble fremstilt med en effektivitet på 92% og en renhet på 99,5%. The cell in figure 5 used a porous membrane of aluminum nitride material which was 4.7 mm thick with 50% porosity and a pore size in the range of 12 to 24 microns. Aluminum nitride was produced by impregnating a porous body of aluminum oxide with carbon and then heating it to 1750°C in a nitrogen atmosphere. The anode conductor was a graphite rod and the aluminum-containing material in the anode was a Bayer A120^and carbon mixed powder in a ratio of 6 to 1. The electrolyte composition was 20% NaCl, 25% LiCl, 30% LiF, 25% AlCl^and the electrolysis was carried out at 720° C. The distance between the membrane and the aluminum pool was approx. 1.25 cm and the electrolysis was carried out at a current density of 1.6 amp/cm. This resulted in a voltage of 2.8 volts. Aluminum was produced with an efficiency of 92% and a purity of 99.5%.
Eksempel 6Example 6
Et saltpreparat som bestod av 12% NaF, 25% LiF, 28% NaCl, 15% LiCl, 10% AlF^og 10% AlCl^ble smeltet i en celle med rette sidevegger. En;. 5 cm tykk aluminiumsåle ble smeltet på bunnen av cellen og driftstemperaturen ble justert til 700°C. Under anvendelse av en anode som vist i figur 2A, ble en avstand mellom bunnen av anoden og aluminiumsålen satt til 4,4 cm. Ved én strømtetthet på 0,96 amp/cm<2>var cellepotensialet 3>5volt. A salt preparation consisting of 12% NaF, 25% LiF, 28% NaCl, 15% LiCl, 10% AlF^ and 10% AlCl^ was melted in a cell with straight side walls. One;. 5 cm thick aluminum sole was melted on the bottom of the cell and the operating temperature was adjusted to 700°C. Using an anode as shown in Figure 2A, a distance between the bottom of the anode and the aluminum sole was set to 4.4 cm. At one current density of 0.96 amp/cm<2>, the cell potential was 3>5 volts.
Etter 8 timers elektrolyse, ble anoden fjernet fra cellen og plassert i en celle med 45° sidevegger som vist i After 8 hours of electrolysis, the anode was removed from the cell and placed in a cell with 45° sidewalls as shown in
figur 7'Etter noen få timers elektrolyse var anoden erodert slik at sidene var parallelle med katodesideveggene. Anode-nedsenkningen i saltet var 7»5cm. Under anvendelse av den samme totale strøm som i cellen med rette vegger, var potensialet 2,45 volt. Dette reduserte potensial på grunn av side anode erosjon ved 90% strøm-effektivitet, og konstant produksjonshastighet, reduserer energiforbruket fra 10,5 kwh/ kg til 8,1 kwh/kg som er en reduksjon på 3>45 kwh/kg. figure 7'After a few hours of electrolysis, the anode was eroded so that the sides were parallel to the cathode side walls. The anode immersion in the salt was 7"5cm. Applying the same total current as in the straight-walled cell, the potential was 2.45 volts. This reduced potential due to side anode erosion at 90% current efficiency, and constant production rate, reduces the energy consumption from 10.5 kwh/kg to 8.1 kwh/kg which is a reduction of 3>45 kwh/kg.
Eksempel 7Example 7
Et saltpreparat som består av 20% NaCl, 25% LiCl, 25% LiF, 10% NaF, 10% AlF^og 10% AlCl^, ble smeltet i en celle med rette sidevegger. En 5 cm tykk aluminiumsåle ble smeltet på bunnen av cellen og driftstemperaturen justert til 700°C. Under anvendelse av en sammensatt anode som var 30 cm lang med en tilførselsledning av kopper festet til den ene enden på tradisjonell måte, ble avstanden mellom anode og katode justert til 4,4 cm. Ved en strømtetthet på anoden på 0,96/cm , var cellepotensialet 5»75volt etter at likevekt var nådd. A salt preparation consisting of 20% NaCl, 25% LiCl, 25% LiF, 10% NaF, 10% AlF^ and 10% AlCl^ was melted in a cell with straight side walls. A 5 cm thick aluminum sole was melted on the bottom of the cell and the operating temperature adjusted to 700°C. Using a composite anode 30 cm long with a copper feed line attached to one end in the traditional manner, the anode-cathode distance was adjusted to 4.4 cm. At a current density on the anode of 0.96/cm, the cell potential was 5.75 volts after equilibrium was reached.
En identisk anode men med 45° hellning på enden som'var motsatt tilførsels-stangen, ble satt inn i en celle med k5° sidevegger som vist i figur'7. Nedsenkningsdybden for anoden i saltet var 7,5 cm. Etter noen timers elektrolyse for å forsikre at vinkelen på anoden var den samme som på sideveggene i cellen, var potensialet som var nødvendig for å få den samme totale strøm som var benyttet i cellen med rette vegger, 4,4 volt. Dette reduserte potensialet på grunn av side anode erosjon ved 90% strøm.-tetthet og ved konstant produksjonshastighet mellom de to celletyper, reduserer energiforbruket fra 19 kwh/kg til 14,52 kwh/kg som er en reduksjon på 4,5 kwh/kg. An identical anode but with a 45° slope at the end opposite the feed rod was inserted into a cell with k5° sidewalls as shown in Figure 7. The immersion depth of the anode in the salt was 7.5 cm. After a few hours of electrolysis to ensure that the angle of the anode was the same as that of the side walls of the cell, the potential required to obtain the same total current used in the straight wall cell was 4.4 volts. This reduced potential due to side anode erosion at 90% current density and at a constant production rate between the two cell types reduces the energy consumption from 19 kwh/kg to 14.52 kwh/kg which is a reduction of 4.5 kwh/kg .
Reduksjonen i energiforbruket ved konstant strøm fra det som benyttes i en tradisjonell celle hvor bare bunnen av anoden eroderes, og i en celle med skråttstilt anode, er åpenbart fra dette eksemplet. The reduction in energy consumption at constant current from that used in a traditional cell where only the base of the anode is eroded, and in a cell with an inclined anode, is obvious from this example.
Eksempel 8Example 8
En anode ble fremstilt under anvendelse av Alcoa A-I A^O^ blandet med kull-tjære og fenol og støpt i en lukket form med varme påført for å herdne fenol-komponenten. Forholdet mellom komponentene var slik at etter forkoksning inneholdt den sammensatte anoden 17% karbon og 83% A^O^. Elektrolytten bestod av 20% NaCl, 25% LiCl, 30% LiF og 25% NaF og cellen ble drevet ved 700°C. En celle som vist i figur 7 ble benyttet, men ingen aluminiumsåle ble tilsatt. Etter flere timers elektrolyse ved ca. 700°C, ble aluminium samlet opp i brønnen, noe som viste at den sammensatte anode vil produsere aluminium under elektrolysen, uten den opprin-nelige bruk av et aluminiumsalt i elektrolytten. An anode was prepared using Alcoa A-I A^O^ mixed with coal tar and phenol and cast in a closed mold with heat applied to cure the phenolic component. The ratio between the components was such that after coking the composite anode contained 17% carbon and 83% A^O^. The electrolyte consisted of 20% NaCl, 25% LiCl, 30% LiF and 25% NaF and the cell was operated at 700°C. A cell as shown in Figure 7 was used, but no aluminum sole was added. After several hours of electrolysis at approx. 700°C, aluminum was collected in the well, which showed that the composite anode will produce aluminum during electrolysis, without the original use of an aluminum salt in the electrolyte.
Eksempel 9Example 9
En celle med rette sidevegger som vist i figur 5 ble benyttet, men uten membranet 68 og anodestangen 52. I stedet ble en karbonsylinder montert like over salt-elektrolytt-laget hvori ble nedsenket en kort anodedel som vist i figur 2A. På toppen av den forbakte, korte anode og rundt ledning-stengene 37, ble en blanding av A120^, petrol-koks-pulver og en blanding av tjærer tilsatt. Blandingen av A^O^, koks-pulver og tjære, var slik at man fikk 18% karbon og 82% ÅlgO^når anoden ble forkokset i salt-elektrolytten ved temperaturer på 740°C. En salt-elektrolytt som bestod av 10% NaF, 25% LiF, 20% NaCl, 15% LiCl, 20% A1F3og 10% AlCl^ble benyttet. Elektriske forbindelser ble gjort til ledningsstenger 37 ved hjelp av klemmer i de kjølige områder over nivået for en Søderberg-type anodesammensetning i karbon-sylinderen. Elektrolysen ble utført ved 1,6 amp/cm strømtetthet ved anoden og med en avstand på 4,4 cm mellom aluminiumbassenget og anoden. Elektrolysen ble fortsatt med tilsats av AlgO^-karbon-tjære i karbonsylinderen kontinuerlig tilførsel av anode som herdnet og forkokset etterhvert som den gikk inn i salt-elektrolytten. Aluminiumsstengene smeltet etterhvert som anoden ble forbrukt og fløt sammen med katodebassenget 32 av aluminium. A cell with straight side walls as shown in figure 5 was used, but without the membrane 68 and the anode rod 52. Instead, a carbon cylinder was mounted just above the salt-electrolyte layer in which a short anode part was immersed as shown in figure 2A. On top of the pre-baked short anode and around the wire rods 37, a mixture of Al 2 O 3 , petroleum coke powder and a mixture of tars was added. The mixture of A^O^, coke powder and tar was such that 18% carbon and 82% AlgO^ were obtained when the anode was coked in the salt electrolyte at temperatures of 740°C. A salt electrolyte consisting of 10% NaF, 25% LiF, 20% NaCl, 15% LiCl, 20% AlF 3 and 10% AlCl 3 was used. Electrical connections were made to lead bars 37 by means of clamps in the cool areas above the level of a Søderberg type anode assembly in the carbon cylinder. The electrolysis was carried out at 1.6 amp/cm current density at the anode and with a distance of 4.4 cm between the aluminum pool and the anode. The electrolysis was continued with the addition of AlgO^-carbon tar in the carbon cylinder, a continuous supply of anode which hardened and coked as it entered the salt electrolyte. The aluminum rods melted as the anode was consumed and floated together with the aluminum cathode pool 32.
En tilsvarende prøve ble gjort under anvendelse av et karbon-rektangel, regtangulære blokker som var bakt på forhånd og aluminiumplater som vist i figur 13• Aluminiumpla-tene var 1,5 mm tykke og de forbakte blokkene var 5 cm tykke. Elektriske forbindelser ble gjort under anvendelse av valser på hver aluminiumplate. Etterhvert som anoden ble ført frem, ble ytterligere, forbakte blokker ført inn mellom aluminium-plat ene. A similar test was made using a carbon rectangle, pre-baked rectangular blocks and aluminum sheets as shown in Figure 13. The aluminum sheets were 1.5 mm thick and the pre-baked blocks were 5 cm thick. Electrical connections were made using rollers on each aluminum plate. As the anode was advanced, further, pre-baked blocks were inserted between the aluminum plates.
TEGNINGENETHE DRAWINGS
Figur 1 er en skjematisk skisse som i tverrsnitt viser en del av en elektrolyttisk celle ifølge oppfinnelsen som inneholder et klox-id-bad og som illustrerer den lukkede toppen på cellen sammen med den relative plassering av elektrodene. Figur 2 er en skisse som viser en gjennomskåret elektrode og som benyttes som en anode og som er påført en blanding av et aluminiumholdig materiale og et reduserende middel. Figur 2A er en skisse som i perspektiv viser en alternativ utførelse av elektroden i figur 2 som viser en rekke ledende kjerner i matrisen av aluminiumholdig materiale og reduserende middel. Figur 2B er en skjematisk perspektiv-skisse av en variasjon av elektroden vist i figur 2A. Figur 3 er en skisse som viser en delvis gjennomskåret, alternativ elektrode. Figur k er en skjematisk illustrasjon i tverrsnitt av en elektrolyttisk celle med åpen topp som inneholder et rent fluorid-bad og en anodeklemme som gir en kilde for elektrisk strøm til en kontinuerlig tilført anode. Figur kA er en skjematisk skisse av en annen, alternativ elektrode som tilsvarer elektroden i figur 3«Figur 5 er en skjematisk skisse av en utførelse av oppfinnelsen som illustrerer bruken av et porøst membran for å inneholde de forskjellige, anodiske materialer og deriblant et materiale som inneholder aluminium og et reduserende middel. Figur 6 er en skjematisk skisse i tverrsnitt av en annen utførelse av en elektrolyttisk celle som illustrerer bruken av bipolare elektroder. Figur 7 er et skjematisk tverrsnitt av en kombinasjon av elektrolyttiske celler med elektroder med skråe sider og en sammensatt anode av tilsvarende form. Figur 8 er et skjematisk tverrsnitt av en modifikasjon av en kombinasjon elektrolyttisk celle og sammensatt anode. Figur 9 er en perspektivskisse av anoden i figur 8. Figur 10 er e.t skjematisk tverrsnitt av en annen ut-førelse av kombinasjonen i figur 8. Figur 11 er en perspektivskisse av anoden i figur 10. Figur 12 er en skjematisk perspektivskisse av en annen utførelse av en sammensatt anode ifølge oppfinnelsen som illustrerer en laminær konstruksjon. Figur 13 er også en skjematisk perspektivskisse av anoden fra figur 12 og anodeklemmen i figur k. Figure 1 is a schematic sketch showing in cross-section a part of an electrolytic cell according to the invention which contains a klox-id bath and which illustrates the closed top of the cell together with the relative position of the electrodes. Figure 2 is a sketch showing a cross section electrode and which is used as an anode and which is coated with a mixture of an aluminum-containing material and a reducing agent. Figure 2A is a sketch showing in perspective an alternative embodiment of the electrode in Figure 2 which shows a series of conductive cores in the matrix of aluminum-containing material and reducing agent. Figure 2B is a schematic perspective sketch of a variation of the electrode shown in Figure 2A. Figure 3 is a sketch showing a partially cut-away alternative electrode. Figure k is a schematic cross-sectional illustration of an open top electrolytic cell containing a pure fluoride bath and an anode clamp providing a source of electrical current to a continuously supplied anode. Figure kA is a schematic sketch of another alternative electrode which corresponds to the electrode in Figure 3. Figure 5 is a schematic sketch of an embodiment of the invention illustrating the use of a porous membrane to contain the various anodic materials and including a material which contains aluminum and a reducing agent. Figure 6 is a cross-sectional schematic diagram of another embodiment of an electrolytic cell illustrating the use of bipolar electrodes. Figure 7 is a schematic cross-section of a combination of electrolytic cells with electrodes with inclined sides and a composite anode of similar shape. Figure 8 is a schematic cross-section of a modification of a combination electrolytic cell and composite anode. Figure 9 is a perspective sketch of the anode in Figure 8. Figure 10 is a schematic cross-section of another embodiment of the combination in Figure 8. Figure 11 is a perspective sketch of the anode in Figure 10. Figure 12 is a schematic perspective sketch of another embodiment of a composite anode according to the invention illustrating a laminar construction. Figure 13 is also a schematic perspective sketch of the anode from Figure 12 and the anode clamp in Figure k.
Claims (110)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US5257879A | 1979-06-27 | 1979-06-27 | |
US06/062,135 US4338177A (en) | 1978-09-22 | 1979-07-30 | Electrolytic cell for the production of aluminum |
US06/118,972 US4342637A (en) | 1979-07-30 | 1980-02-06 | Composite anode for the electrolytic deposition of aluminum |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO801022L true NO801022L (en) | 1980-12-29 |
Family
ID=27368170
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO801022A NO801022L (en) | 1979-06-27 | 1980-04-09 | ANODE COMPOSITION. |
Country Status (12)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU536925B2 (en) |
BR (1) | BR8002316A (en) |
CH (1) | CH649102A5 (en) |
DE (1) | DE3012694A1 (en) |
ES (1) | ES490556A0 (en) |
FR (1) | FR2459842A1 (en) |
GB (1) | GB2051864B (en) |
IT (1) | IT1143193B (en) |
NL (1) | NL8002381A (en) |
NO (1) | NO801022L (en) |
NZ (1) | NZ193092A (en) |
SE (1) | SE8002797L (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4405433A (en) * | 1981-04-06 | 1983-09-20 | Kaiser Aluminum & Chemical Corporation | Aluminum reduction cell electrode |
US4552638A (en) * | 1984-11-13 | 1985-11-12 | Aluminum Company Of America | Electrode assembly having improved current distribution for use in an electrolytic reduction cell |
US4557817A (en) * | 1984-11-13 | 1985-12-10 | Aluminum Company Of America | Reduced voltage electrode design |
US4824543A (en) * | 1987-12-02 | 1989-04-25 | Aluminum Company Of America | Electrode design for increased current distribution |
JPH02503695A (en) * | 1987-12-28 | 1990-11-01 | アルミナム カンパニー オブ アメリカ | Salt-based melting method |
CN111430661B (en) * | 2020-04-09 | 2022-03-15 | 烟台鑫盛源新材料有限公司 | Conductive slurry for lithium ion battery aluminum foil electrode, aluminum foil and preparation method |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR830063A (en) * | 1937-03-16 | 1938-07-20 | Verwertung Chemisch Tech Verfa | Anode for apparatus for the preparation by igneous electrolysis of magnesium, glucinium and similar metals |
GB511076A (en) * | 1937-03-16 | 1939-08-14 | Verwertung Chemisch Tech Verfa | Improvements in or relating to processes for the manufacture of anodes for use in the production of aluminium, beryllium, magnesium, or alkali earth metals by electrolysis of fused starting materials |
GB825872A (en) * | 1955-06-20 | 1959-12-23 | Ichiro Egami | Improvements in or relating to the electrolytic production of magnesium |
AU427351B1 (en) * | 1966-05-23 | 1972-08-23 | Comalco Aluminium Chell Bay) Limited And Universityof Tasmania | Anodes forthe electrolytic production of aluminium and aluminium alloys |
FR2015295A1 (en) * | 1968-08-08 | 1970-04-24 | Kaiser Aluminium Chem Corp | Electrolytic production of al in which fresh electrolyte - is added to maintain uniform concentration |
AU506485B2 (en) * | 1976-06-09 | 1980-01-03 | National Research Development Corp. | Packed, bed electrorefining |
PL200993A1 (en) * | 1976-09-22 | 1978-04-24 | Aluminum Co Of America | METHOD OF CLEANING ALUMINUM ALLOYS AND DEVICE FOR CLEANING ALUMINUM ALLOYS |
US4115215A (en) * | 1976-09-22 | 1978-09-19 | Aluminum Company Of America | Aluminum purification |
DE2805374C2 (en) * | 1978-02-09 | 1982-07-15 | Vereinigte Aluminium-Werke Ag, 5300 Bonn | Process for the production of aluminum by molten electrolysis |
-
1980
- 1980-03-11 NZ NZ193092A patent/NZ193092A/en unknown
- 1980-03-21 GB GB8009517A patent/GB2051864B/en not_active Expired
- 1980-04-01 DE DE19803012694 patent/DE3012694A1/en not_active Ceased
- 1980-04-09 NO NO801022A patent/NO801022L/en unknown
- 1980-04-11 IT IT48400/80A patent/IT1143193B/en active
- 1980-04-11 CH CH2825/80A patent/CH649102A5/en not_active IP Right Cessation
- 1980-04-14 SE SE8002797A patent/SE8002797L/en not_active Application Discontinuation
- 1980-04-14 BR BR8002316A patent/BR8002316A/en unknown
- 1980-04-14 ES ES490556A patent/ES490556A0/en active Granted
- 1980-04-14 AU AU57427/80A patent/AU536925B2/en not_active Ceased
- 1980-04-17 FR FR8008628A patent/FR2459842A1/en not_active Withdrawn
- 1980-04-24 NL NL8002381A patent/NL8002381A/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE8002797L (en) | 1980-12-28 |
NL8002381A (en) | 1980-12-30 |
AU5742780A (en) | 1981-01-08 |
IT1143193B (en) | 1986-10-22 |
IT8048400A0 (en) | 1980-04-11 |
DE3012694A1 (en) | 1981-01-22 |
GB2051864A (en) | 1981-01-21 |
BR8002316A (en) | 1980-12-30 |
NZ193092A (en) | 1983-09-30 |
ES8104440A1 (en) | 1981-04-16 |
ES490556A0 (en) | 1981-04-16 |
CH649102A5 (en) | 1985-04-30 |
AU536925B2 (en) | 1984-05-31 |
FR2459842A1 (en) | 1981-01-16 |
GB2051864B (en) | 1984-02-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4338177A (en) | Electrolytic cell for the production of aluminum | |
US4342637A (en) | Composite anode for the electrolytic deposition of aluminum | |
US4670110A (en) | Process for the electrolytic deposition of aluminum using a composite anode | |
US2915442A (en) | Production of aluminum | |
US5254232A (en) | Apparatus for the electrolytic production of metals | |
US4308115A (en) | Method of producing aluminum using graphite cathode coated with refractory hard metal | |
KR100227921B1 (en) | Electrolytic production process for magnesium and its alloy | |
AU2017203090B2 (en) | Systems and methods of protecting electrolysis cells | |
NO162732B (en) | COMPONENT FOR A CELL FOR PRODUCTION OF ALUMINUM. | |
US4919771A (en) | Process for producing aluminum by molten salt electrolysis | |
NO742889L (en) | ||
CA2003660C (en) | Supersaturation plating of aluminum wettable cathode coatings during aluminum smelting in drained cathode cells | |
US5158655A (en) | Coating of cathode substrate during aluminum smelting in drained cathode cells | |
US3405043A (en) | Method of producing silicon and electrolytic cell therefor | |
US4552637A (en) | Cell for the refining of aluminium | |
US4882017A (en) | Method and apparatus for making light metal-alkali metal master alloy using alkali metal-containing scrap | |
NO801022L (en) | ANODE COMPOSITION. | |
US6187168B1 (en) | Electrolysis in a cell having a solid oxide ion conductor | |
US6800191B2 (en) | Electrolytic cell for producing aluminum employing planar anodes | |
CA1232867A (en) | Cell for electrolytic purification of aluminum | |
US3503857A (en) | Method for producing magnesium ferrosilicon | |
WO1990001078A1 (en) | Apparatus and method for the electrolytic production of metals | |
JPS6325077B2 (en) | ||
NO821803L (en) | ELECTROLYTIC CELL. | |
RU2716726C1 (en) | Method of applying protective coating on electrolytic cell cathodes for aluminum production |