NO832365L - Elektrolysekar for fremstilling av aluminium med et flytende ledende gitter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et kar for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminium oppløst i- smeltet kryo-lit i henhold til Hall-Héroult prosessen der elektrolysekaret har et flytende ledende gitter mellom anoden og katoden.

I de installasjoner med høyest ytelse som fremstiller aluminium ifølge Hall-Héroult prosessen er forbruket av elektrisk energi minst lik 13.000 KW timer/tonn metall og passerer hypp-ig 14.000. I et moderne elektrolysekar som virker med en pot-ensialforskjell på 4 volt representerer spenningsfallet i elek-trolytten ca. 1,5 volt, det er således ansvarlig for omtrent 1/3 av det totale energiforbruk. Tapet skyldes kravet om å holde en tilstrekkelig avstand mellom anoden og det flytende aluminium katodesjikt (minst lik 40 mm og oftest i størrelses-orden 50-60 mm) for å unngå reoksydasjon av aluminium som er revet med mot anoden p.g.a. bevegelser i det flytende metall-sjikt p.g.a. magnetiske virkninger og understøttes av at det katodiske karbonsubstrat ikke fuktes av flytende aluminium.

For å redusere avstanden mellom polene uten å fremtvinge medrivning av katodisk aluminium mot anoden har man foreslått å benytte katoder på basis av elektroledende ildfaste materialer slik som titandiborid TiB,, som helt kan fuktes av flytende aluminium og som praktisk talt ikke angripes av dette metall ved elektrolysetemperaturen. Slike katoder er spesielt beskrevet i B PS 784 695, 784 696, 784 697 og i en artikkel av K.B. Bille-haug og H.A. Oye i "Aluminium", Oktober 1980, sidene 642-648

og november 1980, sidene 713-718.

Et av de større problemer i forbindelse med disse titandiborid katoder er at de progressivt bringes i oppløsning i flytende aluminium, et langsomt men ikke neglisjerbart fenomen, som nødvendiggjør periodisk erstatning av de brukte elementer, noe som medfører totalt stans og demontering av elektrolysekaret.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en annen løsning på dette problem med reduksjon av den interpolare avstand uten risiko for å rive med katodisk aluminium mot anoden.

Oppfinnelsen karakteriseres ved, mellom anoden og katoden, i grenseflaten mellom det flytende aluminiumsjikt og elektrolytt-sjiktet, å anbringe en elektrisk ledende lfytende duk som ikke er bundet til det katodiske karbonsubstrat. Den duk må sam-tidig motstå påvirkning av aluminium og påvirkning av det smeltede kryolittbad og må bestå av et karbonmateriale slik som grafitt eller et elektrisk ledende ildfast materiale slik som titan diborid.

Hvis man betrakter de respektive densiteter for de tilstede-værende elementer ved elektrolysens midlere temperatur, ca.

96 0°C;

er det åpenbart at den flytende duk må bestå av elementer hvis totale densitet befinner seg mellom 2,15 og 2,30 ved 960°C.

Figurene 1 til 4 viser forskjellige måter for gjennomføring av oppfinnelsen:

I figur 1 består en flytende ledende duk 1 av stenger 2 av

porøs TiB2som er tett på overflaten, og med en midlere densitet på 2,25. Disse stenger kan være fremstilt f. eks. ifølge den teknikk som er beskrevet i FR PS 1 579 54 0 og som består i å sintre en blanding avTiB2°g et stoff som fjernes ved sintrings-temperaturen. Diamateren for disse stenger ligger mellom 5 og 50 mm og fortrinnsvis mellom 10 og 40 mm. Den nedre grense for diameteren har forbindelse med fremstillingsomkostningene og den øvre grense tilsvarer omtrent to ganger den ønskede interpolare avstand.

Slike stenger med en porøsitet på ca. 50% kan lett beregnes. I dette tilfelle sintres en blanding av TiB^ og bornitrid (d=2,20 til 2,25 ved 960°) eller grafit (d= 1,7 til 1,9) med den ønskede andel materiale som kan fjernes i varmen for å oppnå en sluttdensitet på omtrent lik 2,25 ved 960°C.

Det er uomgjengelig å "tette" stavene med et overflatesjikt for å unngå deres progressive impregnering av elektrolytt og/ eller metall, noe som ødelegger deres flyteevne. Denne tetting gjennomføres ved forskjellige kjente prosesser og som tillater å avsette et kompakt TiB2sjikt, f. eks. ved plasmabestråling eller kjemisk avsetning. Tykkelsen for dette tette sjikt må være tilstrekkelig til at dets oppløsning p.g.a. flytende aluminium tillater en levetid på minst noen år, d.v.s. en tykk-else minst lik ca. 20 ym.

Denne tetting kan skje i to etapper: avsetning av et for-ankringssjikt med midlere densitet ved hjelp av plasma og deretter et fint tettesjikt ved kjemisk avsetning, eller ved kjemisk avsetning i dampfase gjennomført i to trinn der det første skjer ved lavere trykk og temperatur enn det andre.

En annen løsning for å oppnå en midlere densitet på 2,25 består i å fremstille komposittstaver med en grafit kjerne og et kompakt TiB2skall der vektandelene av de to bestanddeler be-stemmes for å oppnå d=2,25 (d.v.s i det vesentlige 20% TiB2 og 80% grafit) der grafit kvaliteten velges slik at utvidelses koeffesienten for grafit i det vesentlige er lik den til TiB2mellom 0 og 1000°C.

De flytende TiB^stenger 2 danner et i det vesentlige kontinu-erlig sjikt på grenseflaten 3 mellom metallet 4 og elektrolytt 5. Det er dette sjikt som utgjør duken 1 mellom anoden 6 og metallet 4 og smatidig som virker som katode på hvilket det dannes dråper av flytende aluminium, fremstilt ved elektrolyse. Disse dråper fukter de flytende stenger 2 og samler seg i det allerede dannede sjikt 4. Risikoen for medrivning av dråper mot anoden der de reoksyderes blir således praktisk talt eli-minert, noe som tillater å redusere den interpolare avstand d med ca. 20 mm og således å redusere spenningsfallet gjennom elektrolyten til mindre enn 1 volt. I figurene 1 og 2 er de flytende staver 2 tegnet over grenseflaten 3 men det er klart at deres nøyaktige posisjon avhenger av densitetsforholdet mellom bad og metall.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i det spesielle tilfellet

der den flytende duk er dannet av stenger på basis av TiB2er denne form ikke obligatorisk og andre former kan være hensikts-messige, f. eks. sylindriske elementer som i henhold til for-holdet lengde/diameter, flyter med aksen i vertikal eller hori-sontal posisjon. Flateskiver kan f. eks. benyttes. I et slikt tilfelle der elementene ikke er forbundet seg imellom, er det ønskelig at den største dimensjon for de benyttede elementer ikke overskrider 50 mm og fortrinnsvis 40 mm, d.v.s. to ganger den ønskede interpolare avstand. Løsningen ifølge figur 1 opp-viser den mangel at all grenseflate mellom metallet 4 og elektrolytt 5 er dekket av stavduken 2 selv om dennes nærvær ikke er nødvendig for annet enn nær anoden 6. Figur 2 viser en løsning der den flytende ledende duk er begrenset til nærheten av anoden 6 ved hejlp av barrierer 7 av ildfast materiale med høy densitet. Åpninger 8 kan fortrinnsvis være anordnet i disse barrierer for å sikre sirkulasjon av flytende aluminium 4. Figur 3 viser en annen utførelsesform av den flytende duk;

duken består ikke lenger av individuelle elementer som er anbragt nær hverandre men av et monolitisk hele, anbragt nær anoden. Denne monolitiske duk 8 kan realiseres i forskjellige varianter uten å gå utenfor oppfinnelsens ramme så sant den oppfyller to primære kriterier; en densitet som ligger mellom den til elektrolyten og den til flytende aluminium, og en tilstrekkelig elektrisk konduktivitet, d.v.s. under den til elektrolyten (minst 10 ganger under for eksempel).

Duken 8 kan videre holdes nær anoden ved hjelp av bære gjerder

7 og den kan eventuelt være utstyrt med avstandsstykker 9 av ildfast materiale som er motstandsdyktig overfor elektrolyt og overfor flytende aluminium, og kan lede elektrisitet slik som bornitrid, aluminium nitrid eller forskjellige karbider slik som silisium karbid. Disse avstandsstykker har til mål å unngå enhver tilfeldig kontakt mellom anoden 6 og duken 8. Bevegelses-friheten for duken i vertikal retning er i virkeligheten så å si total p.g.a. fraværet av enhver forankringsinnretning på det katodiske karbonsubstrat 12. Duken 8 kan bestå av grafitt eller av en karbonfiber eller et karbon-karbon kompositt materiale, dekket av TiB^over i det minste den øvre flate. Hvis andelen av TiB,, ikke er tilstrekkelig til å oppnå den nødvendige midlere densitet på 2,25 kan man belaste duken ved hjelp av ildfast materiale eller lage den ikke bare av ren grafitt men av en aglomerert blanding av grafitt og silisium karbid (d= 3:3,10) eller titan diborid (d=4,5 - 4,6) .

I det tilfelle der duken består av et porøst karbonkompositt materiale er det en fordel å underkaste den en impregnering med titandiborid i en mengde slik at man oppnår en midlere tilsyne-latende densitet i størrelsesorden 2,20 og deretter en overflate-tetting ved hjelp av et kompakt titandiborid sjikt med en tykk-else på 10 - 100 ym.

En annen utførelsesform av den ledende flyteduk er vist i figur 4. Grafittlister 10 er utstyrt med festemidler (11a, 11b) som samarbeider for å danne sammensetninger med en tilstrekkelig ettergivenhet til å tilpasse seg eventuelle grenseflate ujevnheter 3 mellom metall og elektrolytt. Som i det foregående tilfelle kan disse lister være dekket med TiB^på flaten mot anoden og den nødvendige densitet for å oppnå flyt oppnås på en hvilken som helst av de ovenfor nevnte måter.

Gjennomføring av oppfinnelsen i dens forskjellige varianter tillater en vesentlig reduksjon av den interpolare avstand, helt opp til 20 mm, uten tap av elektrolyseutbyttet. Potensi-alfoskjellen mellom klemmene i elektrolyse cellen som således er modifisert reduseres fra 4 volt til ca. 3,2 til 3,3 volt med en proposjonal reduksjon av energiforbruket pr. tonn fremstilt aluminium.

Claims (7)

1. Elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminium oksyd oppløst i et smeltet kryolittbad ifølge Hall-Héroult prosessen, mellom minst en karbon anode og et aluminiumsjikt som dekker et katodisk karbonsubstrat, karakterisert ved at den i grenseflaten mellom aluminiumsjiktet og det smeltede kryolitt bad omfatter en flytende duk som er elektrisk ledende og som ikke er forbundet med det katodiske karbon substrat og fritt til å bevege seg i det minste i vertikal retning.

2. Elektrolysekar ifølge krav 1, karakterisert ved at den flytende ledende duk strekker seg langs hele grenseflaten mellom aluminiumsjiktet og kryolitt badet.

3. Elektrolysekar ifølge krav 1, karakterisert ved at den flytende ledende duk er begrenset til nærheten av hver anode.

4. Elektrolysekar ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den flytende ledende duk består av diskrete elementer anordnet ved siden av hverandre.

5. Elektrolysekar ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den flytende ledende duk består av diskrete elementer forbundet seg imellom ved hjelp av myke festeanrodninger.

6. Elektrolysekar ifølge krav 5, karakterisert ved at den flytende ledende duk omfatter anleggsmidler som gir liten grad eller ikke leder den elektriske strøm, rettet mot den nedre flate av anoden, og hvis høyde i det vesentlige er lik den minimale interpolare avstand.

7. Elektrolysekar ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at avstanden mellom hver anode og den flytende ledende duk er under 40 mm og fortrinnsvis ca. 20 mm.