NO832497L - Katodekar for aluminium-elektrolysecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder et katodekar for smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium og bestående av et ytre stålhylster som bæres eller understøttes av metalldeler,

et varmedemmende isolasjonskikt samt en elektrisk ledende, indre karbonforing som er bestandig såvel overfor smeltet aluminium som cellens elektrolytt.

For utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd oppløses dette i en fluoridsmelte som for største delen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg på undersiden av fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. Ned i elektrolytten er det ovenfra neddykket anoder,

som ved vanlig elektrolyseprosess utgjøres av amorft karbonmaterial. Ved karbonanodene utvikles ved den elektrolytiske spalting av aluminiumoksyd oksygen som forbinder seg med karbon-materialet i anodene til C02og CO. Elektrolysen finner sted i et temperaturområde på ca. 94 0 til 9 70°.

Karbonforingen er i løpet av driftstiden gjenstand for en betydelig volumøkning. Denne forårsakes av inntregning av kom-ponenter som stammer fra elektrolytten. Blant sådanne kompo-nenter regnes f.eks. natrium eller salter som fluoridsmelten er sammensatt av, såvel som kjemiske forbindelser som oppstår i fluoridsmelten på grunnlag av ikke nærmere kjente kjemiske reaksjoner.

Videre er det kjent særlig to vesentlige faktorer som i drift påvirker utsvellingen av katodens karbonmaterial, nemlig: Den fastlagte strømtetthet: Jo større strømtetthet desto større volumøkning.

Karbonmaterialets kvalitet: Jo høyere grafitteringsgrad, desto mindre volumøkning.

Den utsvellende karbonforing utøver et trykk på den termiske isolasjon og dermed indirekte på stålhylsteret. Dette kan dermed utsettes for ikke reversible deformasjoner, som påkjen-ner stålmaterialet i dets plastiske område og kan føre til sprekker.

Karbonbunnens tendens til velving stiger med tiltagende, celle-alder, og ved sådan velving oppstår sprekker. Det flytende aluminium kan da trenge inn i disse sprekker og angripe de katodestaver av jern som fører elektrisk likestrøm fra cellen. Ødeleggelsen av cellens karbonforing kan iblant skride frem så langt at det flytende aluminium flyter ut av cellen. I

dette tilfelle må cellen vanligvis settes ut av drift før^ut-løpet av vanlig driftstid. Dette fører til dyre reparasjoner,

og forøvrig oppstår produksjonstap ved av cellen er ute av drift.

Det er gjort tallrike forsøk å unngå deformasjoner og sprekkdannelser i karbonbunnen ved å anbringe avstivninger på stålhylsteret. Disse kan imidlertid vanligvis ikke forhindres, men bare reduseres. Videre utgjør sådanne avstivninger en vesentlig driftsmessig ulempe, da cellen fordyres og katodekarets samlede vekt forhøyes i betydelig grad.

Ytterligere anstrengelser i denne sammenheng har hatt som mål

og gjennomtrekke karbonforingen med elektrolyttkomponenter for derved å avverge ytterligere volumøkninger. Det har imidlertid vist seg at sådanne volumøkninger ikke kan forhindres og må tas med som en ubetinget forutsetning. I DE-AS 2.633.055 foreslås utforming av en utbuktning i stålhylsteret. Denne utbukting utgjør et opptaksrom for et første, lett deformerbart material og et annet material som først deformeres ved større kraftpåvirkning for på denne måte å ta opp karbonforingens bunn, som under cellens drift utvider seg i horisontal retning. Det nevnte annet material oppviser sådanne mekaniske egenskaper at kraftvirkningene kan overføres til det utbuktede stålhylster

uten varig deformering og/eller sprekkdannelse. De motkrefter som virker på karbonforingens bunn nedsetter bunnens velvning og gjennomgående sprekkdannelser.

Skjønt de foreslåtte løsninger i henhold til teknikkens stil-ling, særlig den som er angitt i ovenfor nevnte DE-AS 2.633.055, kan medføre delvis forbedring, foreligger det likevel for elektrolyseceller med særlig høye strømstyrker fremdeles be-traktelige problemer.

Det er derfor et formål for oppfinnelsen å komme frem til et nytt utførelseprinsipp for katodekar i smelteelektrolyseceller for fremstilling av aluminium, og som kan hindre ukontrolerte deformasjoner av enhver størrelseorden i cellen, uten at cellen tar skade i form av sprekkdannelser. Dette utførelseprinsipp tar også sikte på å nedsette investeringsomkostningene og å kunne lett tilpasses i praksis.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av et skilleskikt som strekker seg horisontalt rundt katodekaret .utelukkende innenfor elektrolyttområdet og derved deler opp karbonforingen i en nedre og en øvre del, samt består av et material som er bestandig overfor elektrolytten ved temperaturer opptil 1000°C og har vesentlig lavere skjærfasthet enn karbonforingen.

I samsvar med dette utførelseprinsipp er karbonforingens sidevegg oppdelt. Det elektriske felt mellom katodestavene og anoden forløper gjennom bunnen og den nedre del av karbonforingens sidevegg. Gjennom den sideveggdel av karbonforingen som ligger på oversiden av nevnte skikt med lavere skjærfasthet, flyter praktisk talt _ingen elektrisk strøm. Av denne grunn vil den nedre del av karbonforingen svelle ut vesentlig sterkere enn den øvre del. De spenninger som oppstår av denne grunn fanges opp ved at skiktet med lavere skjærfasthet danner sprekker. Da dette skilleskikt i sin helhet forløper innenfor cel- . lens smelteelektrolyttområde, kan intet flytende aluminium trenge inn i de dannede sprekker.

De tilsiktede bruddsteder hvor det dannes sprekker i skille-skiktet med lavere skjærfasthet,fylles av seg selv av smelteelektrolytt som trenger inn i sprekken og nedkjøles i det ytre område av foringen i så sterk grad at'elektrolytten størk-ner og derved hindrer at flytende elektrolytt strømmer ut.

Selvtetningen av de forventede bruddsteder kan forbedres ved

at det umiddelbart på utsiden av skiktet med lavere skjærfasthet og i området av den nedentil inntilliggende karbonforing anordnes en oppfangningssone av meget godt varmeledende material som strekker seg i retning av det ytre stålhylsters sidevegg. Dermed kan den varme som avgis fra den inntrengende elektrolytt i sprekken raskere bortledes, således at også selvtetningen ved størkning av elektrolytten finner sted hurtigere. Hensiktsmessig ligger den øvre grense av denne oppfangningssone på omtrent samme nivå som den øvre grense av skiktet med lavere skjærfasthet. Oppfangningssonen er imidlertid tykkere enn dette skikt, og kan med fordel være tre ganger så tykk som skiktet med lavere skjærfasthet. For den raske bortledning av varmen i oppfangningssonen er metalliske materialer særlig godt egnet, f.eks. stålull eller aluminiumsspon.

For at rissdannelser alltid skal finne sted i det ønskede område er skjærfastheten av det skilleskikt som deler karbonforingen i en nedre og en øvre del, fortrinnsvis minst fem ganger mindre enn karbonmaterialets skjærfasthet.

Tykkelsen av dette skikt med lavere skjærfasthet ligger i praksis hensiktsmessig mellom 2 og 15 cm, fortrinnsvis mellom 5 og 10 cm.

Det skikt som deler karbonforingen i to deler er hensiktsmessig bygd opp av forut fremstilte blokker. Materialet i disse blokker må oppfylle de tre angitte krav til henholdsvis temperatur-bestandighet, bestandighet overfor elektrolytten samt lavere skjærfasthet. I praksis kan det for fremstilling av sådanne blokker anvendes skummaterialer av karbon og keramikk samt kom-

primerte karbonfiberskikt.

Vedkommende skikt med lavere skjærfasthet klebes på oversiden hensiktsmessig fast til karbonforingen ved hjelp av et kjent klebemiddel, samt legges på undersiden ovenpå karbonforingen med mellomlegg av karbonfilt. Denne komprimerte karbonfilt har fortrinnsvis en tykkelse mellom 5 og 15 mm og er på sin side klebet fast til den nedre del av karbonforingen.

Hvis den nedre del av karbonforingen sveller ut mindre hurtig, så kan denne nedre del grafitteres i sterkere grad.

Videre har det vist seg fordelaktig å anbringe plastisk deformerbare metalldeler eller andre sprø porøse materialstykker i bunnområdet av karbonforingen, på sådan måte at disse materialer yder en tilnærmet konstant motstand mot utvidelse av karbonbunnen. Angrepsflaten for disse såkalte "crunchelementer" ligger fortrinnsvis på oversiden av karbonbunnens kjerneområde. Derved hindres rissdannelser og utillatelige deformasjoner.

Den negative innflytelse av sprekker som allikevel forekommer

i karbonforingens bunnområde nedsettes eller oppheves hensiktsmessig ved at de anvendte "crunchelementer" forspennes ved hjelp av kjente hjelpemidler.

Som plastisk deformerbare metallstykker anvendes hensiktsmessig rør eller rørbunter som er stilt på høykant. ( I stedet for sterkt plastiske metaller er også anvendelse av forholdsvis sprø materialer med tallrike små hulrom en foretrukket utfør-1.. elseform av de såkalte "crunchelementer". Ved knusning av et sådant material nedbrytes materialbroer som neppe er synlige for øyet, den ene etter den annen, mens de gjenværende ubrutte soner som fremdeles foreligger utøver en nærmest konstant motstand mot utvidelsen av den nedre del av karbonforingen.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser en oppskåret perspektivskisse av et sideområde av en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium, Fig. 2 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom vedkommende sideområde av en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, Fig. 3 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom området omkring et skikt med lavere skjærfasthet, etter den første sprekkdann--else, Fig. 4 er et skjematisk utsnitt av samme art som i fig. 3, etter et visst antall x sprekkdannelser, og Fig. 5 viser et utsnitt av samme art som i figurene 3 og 4 etter fult gjennombrudd gjennom skiktet med lavere skjærfasthet.

En smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium har

et ytre stålhylster 10. Innlagt i dette er en nedre isolasjon 12 og en sideisolasjon 14. På den fundamentdannende nedre isolasjon 12 er den nedre del 16 av karbonforingen anordnet med innstøpte eller innleirede katodestaver 18 av jern. På det horisontalt avgrensede kantområde av den nedre del 16 av; karbonforingen er det anordnet et ca. 8 cm tykt skikt 20 med lavere skjærfasthet. Mellom dette skikt 20 og den nedre del 16 av karbonforingen ligger (ikke synlig) et underlag av karbonfilt, som er fastklebet til den nedre del 16 av karbonforingen.

Ovenpå skiktet 20 med lavere skjærfasthet er den øvre del 22

av karbonforingen fastklebet, idet den rager sideveis utover den nedre del. Stenblokker 24 danner det øverste område, således at det på elektrolysekaret oppnås en isolerende karkant som beskytter mot oksygeninnvirkning.

På innsiden av stålhylsteret 10 og i nivå med den øvre del av karbonforingens bunn er det anordnet forspente "crunchelementer" 26, som er avstøttet av en utbuktning av stålhylsteret 10. Disse "crunchelementer" 26 motsetter seg utvidelse av den nedre del 16 av karbonforingen med en konstant forskyvnings-uavhengig motstand.

Mellom sideisolasjonen 14 og den øvre del 22 av karbonforingen er det utformet en oppfangningssone 30 i form av et meget godt varmeledende skikt. Dette skikt strekker seg i vertikal retning nedover utover skiktet 20 med lavere skjærfasthet samt delvis langs den nedre del 16 av karbonforingen.

I fig. 2 er en del av sideområdet av stålhylsteret 10 erstattet av en bøyelig vegg 32. For dette formål kan det f.eks. anvendes vev av karbonfibre, som skiktvis er kombinert med metallfolier. De forspente "crunchelementer" 26 som her er anordnet på utsiden av den bøyelige vegg 32, består som i fig. 1 av bunter av plastisk deformerbare, vertikalt anordnede rør. Mot utsiden avstøttes "crunchelementene" 26 av et fast mothold 28. Mellom den bøye-lige vegg 32 og sideisolasjonen kan det være anordnet et glide-skikt.

Fig. 3 viser en karbonskumblokk 20 med lavere skjærfasthet ovenpå en karbonfilt 34. På grunn av forskjellig.utvidelse av den nedre del 16 og den øvre del 22 av karbonforingen er skiktet 20 med lavere skjærfasthet her opprevet en første gang,

mens flytende elektrolytt er trengt inn i den dannede sprekk og delvis størknet.

I skiktet 20 med lavere skjærfasthet er det i fig. 3 vist en eneste sprekkdannelse, mens skiktet 20 i fig. 4 er vist med flere sprekkdannelser. Karbonfilten 34 er etter dannelse av flere sprekker delvis oppløst og den størknede elektrolytt 36 er trengt videre utover.

I fig. 5 er til slutt den størknede elektrolytt trengt fullsten-dig gjennom skiktet 20 med lavere skjærfasthet i retning utover samt er størknet i oppfangningssonen 30.

Figurene 3 til 5 viser i forbindelse med elektrolyseceller, med forskjellig dimensjonering av de enkelte bestanddeler tydelig den selvtettende virkning av det tilsiktede gjennombruddsted. Det elektrolysekar som inneholder smelteelektrolytten og det utskilte flytende aluminium kan bare danne sprekker på et eneste sted, nemlig i skiktet 20 med lavere skjærfasthet. I dette området befinner det seg bare smelteelektrolytt og intet metall. Den elektrolytt som trenger inn i sprekker i dette skikt 20

vil størkne og skjønt den i tiltagende grad vil fortsette utover,; vil den alltid virke selvtettende, idet det størknede material vil hindre etterstrømning av elektrolytt i retning .utover.

Claims (10)

1. Katodekar for smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium og bestående av et ytre stålhylster som bæres eller understøttes av metalldeler, et varmedemmende isolasjonsskikt samt en elektrisk ledende, indre karbonforing som er bestandig såvel overfor smeltet aluminium som cellens elektrolytt, karakterise x>'_ t ve d et skilleskikt (20) som strekker seg horisontalt rundt katodekaret utelukkende innenfor elektrolyttområdet og derved deler opp karbonforingen i en nedre (16) og en øvre del (22), samt består av et material som er bestandig overfor elektrolytten ved temperaturer opptil 1000°C og har vesentlig lavere skjærfasthet enn karbonforingen.

2. Katodekar som angitt i krav 1, karakterisert ved at skjærefastheten av karbonforingens skilleskikt (20) er minst fem ganger mindre enne selve karbonforingens skjærfasthet.

3. Katodekar som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at tykkelsen av skiktet (20) med lavere skjærfasthet er 2 - 15 cm, fortrinnsvis 5-10 cm.

4. Katodekar som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at skiktet (20) med lavere skjærfasthet består av karbonskumstoff, karbonfiberskikt eller keramisk skummaterial.

5. Katodekar som angitt i krav 1 - 4, karakterisert ved at skiktet (20) med lavere skjærfasthet ved hjelp av et kjent klebemiddel er klebet til karbonforingens øvre del (22), samt ligger med et mellomlegg av karbonfilt (34) ovenpå karbonforingens nedre del (16).

6. Katodekar som angitt i krav 5, karakterisert ved at den komprimerte karbonfilt (34) er 5 - 15 mm tykk og fastklebet på den nedre del (16) av karbonforingen.

7. Katodekar som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at det umiddelbart på utsiden av skiktet (20) med lavere skjærfasthet og en del av den til-støtende underliggende.nedre del (16) av karbonforingen er anordnet en oppfangningssone (30) som strekker seg i retning av side-veggen av det ytre stålhylster (10) og består av meget godt varmeledende material, idet høyden av denne oppfangningssone (30) fortrinnsvis er det dobbelte til tredobbelte av tykkelse av skiktet (2 0) med lavere skjærfasthet. _.r..v

8. Katodekar som angitt i krav 7, karakterisert ved at oppfangingssonen (30) ut-gjøres av stålull eller aluminiumspon.

9. Katodekar som angitt i krav 1 - 8, karakterisert ved at den nedre del (16) av kar-.... tenfbringen.er sterkere grafittisert enn den øvre del (22).

10. Katodekar som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at det i nivå med bunnen av karbonforingens nedre del (16), og fortrinnsvis på oversiden av bunnens midtparti, er anordnet en tilnærmet konstant, for skyvnings-uavhengig motstand, fortrinnsvis forspente "crunchelementer" (26), i form av plastisk deformerbare metallrø r eller sprø porøse materialstykker.