NO852120L - Karbonholdig anode for aluminiumfremstilling ved elektrolyse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en karbonholdig anode med partielt innsnevrede runde staver ment for celler for fremstilling av aluminium ved elektrolyse.

Den vesentlige gjenstand er å tillate en reduksjon i motstandsfallet ved tilkobling av anodisk karbon mens man reduserer de termiske tap gjennom det anodiske system i disse celler og øker levetiden for aluminium-stålforbind-elsene. Oppfinnelsen egner seg spesielt for elektrolyseceller inneholdende på forhånd brente anoder men kan benyttes for såkalte Søderberg elektrolyseceller med kontnuerlige anoder.

Aluminium fremstilles i det vesentlige ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et kryolitholdig bad. Elektrolyse-ovnene som tillater dette består av en karbonkatode anbragt i en stålbeholder og isolert med ildfaste isolerende produkter i det karbonkatoden omgis av en karbonanode eller et antall karbonanoder som er nedsenket i det kryolitholdige bad som gradvis oksyderes av oksygen som stammer fra dekomponeringen av aluminiumoksyd.

Strøm føres gjennom fra topp til bunn. Kryoliten holdes i flytende tilstand ved hjelp av Joule-effekten ved en temperatur nær størkningstemperaturen. De vanlige temperaturer for drift av disse celler er mellom 930 og 980°C. Det aluminium som fremstilles er derfor flytende og avsettes ved gravitet på den tette katode. Aluminium som fremstilles eller en del av det fremstilte aluminium blir regelmessig suget av ved hjelp av en støpeøse og dekantert til smelte-ovner og brukt anode erstattes av nye.

Det er meget vanskelig å redusere de termiske tap ved konvensjonelle isolasjonsprosesser. Hvis således ståldelen isoleres vil temperaturen stige i for sterk grad og føre til irreversibel forringelse av forbindelsen mellom lederen og stålet eller sogar ødeleggelse av aluminium- eller kobber-lederen. Det foreligger en risiko for forringelse av disse elementer og derav følgende sammenbrudd i den elektriske kontinuitet og derfor en partiell eller total stopp av elektrolysen.

For å redusere denne termiske strømning p.g.a. varmeledning kan man tenke på å redusere tverrsnittet av denne del av stållederen. I dette tilfelle vil fagmannen møte tre hindere: i) ved å redusere tverrsnittet i stålet vil fallet av motstand i stålet økes og dette oppveier ønske om å redusere energiforbruket i elektrolyseapparaturen;

ii) ved å redusere tverrsnittet i stålet blir temperaturen og korrelativt de termiske tap ved konveksjon og stråling av den del av stålet som befinner seg i friluft øket. Den gevinst man oppnår ved overføring av varme kun ved ledning blir således sterkt oppveiet. Videre forringes forbindelsen mellom stål og aluminium- eller kobberleder som er sprø ved høye temperaturer ;

iii) ved å redusere tverrsnittet i stålet har forbindelsen mellom stål og karbon en lavere ytelse og tapet av effekt ved tap av kontaktmotstand på dette punkt reduserer ytterligere den ønskede gevinst.

Som et resultat kan man si at driften generelt beherskes av en forringelse av forbindelsen mellom stål og aluminium eller kobber uten vesentlig gevinst i energiforbruk.

For å løse dette problem er det ikke tilstrekkelig kun å overføre de løsninger som er foreslått i FR-PS 2 088 263 og

FR-PS 1 125 949 når det gjelder katodestaver p.g.a. at hovedmengden av disse katodestaver er nedsenket i katodiske blokker og de laterale utforinger mens de runde anodestaver eksponeres til friluft over så og si hele lengden bortsett fra den del som er tettet i anoden og direkte over anoden. Betingelsene for termisk likevekt er derfor meget forskjell-ige .

De stål-karbonforbindelseselementer som arbeider ved temperaturer over 700°C innfører i strømveien en meget høy parasitisk resistens som utgjøres av en kontaktresistens og en lokal resistens i karboner i anoden der strømpassasjen er meget konsentrert rundt tetningen. Målt ved de nu herskende forbindelsesbetingelser kan denne mengde utgjøre 30-50% av anodens totale resistens. Tallrike prosesser er foreslått og prøvet for å redusere denne kontaktresistens. En effektiv metode består i å øke kontaktoverflaten i å øke antallet eller størrelsen av hylstrene anordnet i anoden for tilpasning av stållederne. Dessverre har dette en uønsket konsekvens, hvis antallet og størrelsen av stållederne økes økes den konduktive termiske flukt over disse elementer proporsjonalt med tverrsnittet. Den termiske likevekt for elektrolysecellen forstyrres derfor og det er nødvendig å balansere effekten. Den totale balanse er ugunstig da økningen i varmetap er høyere enn gevinsten i resistens som oppnås ved anodeforbindelsen.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å redusere kontakt resistensen ved forbindelsen mellom karbonholdige anoder i aluminiumelektrolyseceller uten å øke de termiske tap i elektrolysecellen gjennom stållederne som trenger inn i den karbonholdige anode. Spesielt angår oppfinnelsen en karbonholdig anode ment for celler for fremstilling av aluminium ved brennelektrolyse i h.h.t. Hall-Heroult prosessen der forbindelsen til positiv strøminngang tilveie-bringes ved hjelp av minst en stålleder omfattende en nedre del som trenger inn i den karbonholdige anode og en øvre del forbundet med det positive strøminntak, og oppfinnelsen karakteriseres ved at den øvre del av stållederen over minst 30% av lengden i den øvre del har et tverrsnitt som er lik høyst 60% av tverrsnittet av den nedre del.

Avhengig av typen anode som benyttes, på forhånd brent eller Søderberg, er stållederen en rund stav som ved kjente prosesser slik som ved støping er fyllt i en uthulning i den øvre del av den på forhånd brente anode eller en stav hvis nedre ende er redusert, og som er innført ved makt i en Søderberg karbonholdig pasta. Figurene 1 - 6 viser en utførelsesform av oppfinnelsen. De er illustrasjoner i vertikalt snitt. Fig. 1 viser fordelingen av temperaturen over en rund anodestav som partielt er innsnevret i h.h.t. oppfinnelsen. Fig. 2 viser fordelingen av temperaturen over en rund anodestav ifølge den kjente teknikk som en sammenligning. Figurene 3-5 viser som ikke-begrensende eksempler forskje-llig utførelsesformer av oppfinnelsen når det gjelder såkalte på forhånd brente anoder. Fig. 6 viser som ikke-begrensende eksempel to utførelsesfor-mer av oppfinnelsen i forbindelse med såkalte kontinuerlige Søderberg anoder.

I fig. 1 omfatter den på forhånd brente anode 1 på konven-sjonell måte et hulrom 2 hvori den runde stav 3 er fyllt inn, vanligvis ved støping 4. Tverrsnittet av den runde stav 3 er lokalt redusert 5. Det er kjent at i celler med på forhånd brente anoder 1 blir ca. halvparten av den termiske strøm som trenger gjennom anoden sluppet ut gjennom stålet. Metoden for varmetransmisjon er i det vesentlige kun konduksjon. Den stiplede linje XX' angir grensen mellom den nedre del av lederen som er fyllt i karbonet og den øvre del.

I det tilfellet som er vist i fig. 1 og som gjelder oppfinnelsen, er det funnet at en partiell reduksjon av tverrsnittet av stålet i den øvre del tillater at det lokalt kan oppnås høye temperaturgradienter. Dette muliggjør at de varme og kalde soner i stålet kan lokaliseres nøyaktig. I den prøve som er vist i fig. 1 ble det oppnådd et tempera-turfall fra 650 til 320°C over en lengde på 10 cm.

Fig. 2 viser hvordan, ifølge kjent teknikk og under ident-iske betingelser, temperaturene opprettes i det anodiske system når den runde bjelke 8 har et konstant tverrsnitt.

Det er også funnet at strømdensiteten ville økes lokalt uten den opptreden av smelteeffekten som er velkjent for fagmannen. Således absorberer nærheten av en betydelig stålmasse ved relativt lav temperatur hurtig de kalorier som frigjøres p.g.a. Joule-effekten hvis intensiteten økes i for sterk grad i den runde bjelke 3.

Fig. 1 viser derfor at stigningen i temperaturen i stålet,

kilden for termiske tap ved konveksjon og stråling, lokaliseres til akkurat over anoden. Det vil derfor være tilstrekkelig å isolere denne sone ved å benytte konvensjonelle termiske isolatorer slik som aluminiumoksyd, eller et knust elektrolysebad eller et karbonholdig pastagranulat for å eliminere hovedsaken av de termiske tap som der dannes, mens den sentrale og øvre del av den runde stav og forbindelsene 6, 7 til lederne 9 lett kan forbli i friluft p.g.a. den moderate temperatur i størrelsesorden 300°C eller derunder.

Økningen i motstandstapet i den innsnevrede del 5 kan kompenseres og sogar mer enn kompenseres ved en økning i tverrsnittet i den varme del av stålet der den elektriske resistivitet er høy. Temperaturkoeffisienten for den elektriske resistivitet for jern er 0,0147 ved 500°C, dette er en eksepsjonelt høy verdi for metaller og den er ved maksimum ved ca. 500°C.

Videre forbedres kontakten mellom stål og karbon ved økningen i tverrsnittet av den nedre ståldel 3 som ligger inne i karbonet og ved stigningen i temperaturen i denne sone og ved det faktum at den ytterligere termiske ekspans-jon av den metalliske del understøtter denne kontaktforbed-ring. Gevinsten i kontaktresistens som således oppnås er nesten 30% i forhold til den kjente teknikk som vises i fig. 2 .

Valget av dimensjoner for den innsnevrede og den ikke-innsnevrede del av denne stav er ikke tilfeldig. Tverrsnitt og lengder for disse to deler må være slik at den totale termiske resistens som oppnås er lik eller fortrinnsvis noe større enn den til den kjente teknikk og kan lett beregnes av fagmannen. Dette medfører at lengden av den innsnevrede del 5 øker etterhvert som tverrsnittsarealet nærmer seg den til den opprinnelige runde stav. Dette medfører også et forhold mellom lengde av delen 5, tverrsnittsarealet for delen 5 og tverrsnittsarealet for delen 3.

Det er funnet at oppfinnelsen er spesielt effektiv hvis forholdet mellom tverrsnittsareal for sonen 5 og tverrsnittsarealet for sonen 3 er lik eller mindre enn 0,6. Lengden for den reduserte del bør vær lik minst 35% av den totale lengde av den øvre del av den runde stav.

Dette tillater at den totale termiske resistens balanseres uten å nå smelteeffekten mens man oppnår en gevinst i kontaktresistensen på over 30% av utgangsverdien i alle tilfeller.

Ut fra de ovenfor definerte prinsippielle synspunkter er det flere mulige utførelsesformer.

I fig. 3 omfatter anoden 1 fire pakningsåpninger 2. Hver runde stav omfatter en nedre del 10 med en høyde på 200 mm og en diameter på 150 mm og som pakkes ved støping 4 i anoden og, over en høyde på 170 mm, den øvre del 11 hvis tverrsnittsareal er redusert til 36% av tverrsnittsarealet for den nedre del (diameter 90 mm).

De fire runde staver 11 er forbundet ved hjelp av en rektangulær tverrbjelke 12 med stort tverrsnitt på 150 x 80 mm som i sin tur er forbundet ved hjelp av en aluminium-jern forbindelse 13 til aluminiumsstaven 14 som utgjør den elektriske forbindelse med den ikke viste anodiske fordel-ingsskinne.

Denne varmesone isoleres ved hjelp av aluminiumoksyd eller knust bad opp til det omtrentlige nivå antydet ved den stiplede linje AA' (2 til 3 cm over forbindelsen med den innsnevrede del av den runde stav). Bruken av denne konstruksjon i en prototype 280.000 ampere celle har vist at det er tilstrekkelig å dekke det store tverrsnitt med noen cm aluminiumoksyd for å isolere anoden godt. Strømdensitet-ene som ble benyttet i dette tilfelle var:

Ved disse 280.000 ampere med tidligere kjente runde anodestaver med konstant diameter på 120 mm med anoder ifølge oppfinnelsen oppnådde man en gevinst på 30mV i det anodiske tap. Dette translateres ved en reduksjon i energiforbruket i cellen på 100 Kwt/tonn og det er mulig å redusee drifts-spenningen i elektrolyseapparaturen med 0,03 volt uten intensitetsendring. Således er den totale termiske resistens for den runde stav og dennes innsnevrede del 50% høyere enn den termiske resistens for den runde stav med en diameter på 120 i dette tilfellet. Dette tillater ytterligere isolasjon av cellen som muliggjør at innført energi i cellen kan reduseres.

I en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen, vist i fig. 4, er den innsnevrede del 11 av den runde stav tildannet ved hjelp av et rør 15 og harden fordel at man forbedrer varmetapet ved stråling når det gjelder for stor overlad-ning, med en tilsvarende strømdensitet. F. eks. kan den ha en ytre diameter på 150 mm og en indre diameter på 120 mm med en høyde på 150 mm. En konstruksjon av denne type kan oppnås ved elektrisk sveising av komponentene men også ved støping fordi det store antall elementer som er nødvendige i en serie på en eller flere hundre elektrolyseceller hver omfattende flere titalls anoder lett oppveier formomkost-ningene.

En annen mulighet involverer saging av den øvre del av den runde stav, fig. 5, for å redusee den til en rektangulær plate 16 hvis tverrsnittsareal ikke representerer mer enn f. eks. 40% av utgangstverrsnittsarealet.

Når det til slutt gjelder Søderberg anoder, fig. 6, innføres strømmen gjennom stålelementer kjent som pinner 17 som anbringes direkte i den karbonholdige pasta 18 og som fjernes og så plasseres noe høyere opp etterhvert som anoden forbrukes ved forbrenning for så å hindre at den nedre del av pinnen kommer i kontakt med elektrolytten. På samme måte som med på forhånd brente runde anodestaver kan diameteren for den øvre del av pinnen som ofte er ca. 100 - 150 mm reduseres under kontaktsonen for pinnen i anodefordelings- skinnen og diameteren for den nedre del kan Økes. I dette tilfelle isoleres den øvre del av anoden med karbonholdig pasta granulat 19 som tilsettes periodisk for å rekonstitu-ere anoden etterhvert som den forbrukes i den nedre del. For å tillate at pinnen kan trekkes ut fra pastaen på enkel måte benytter konstruksjonen et rør med samme ytre diameter som den nedre del.

Implementering av oppfinnelsen tillater en gevinst i størrelsesorden 200 - 300 Kvt/tonn aluminium og tillater en betydelig økning i levetiden for aluminium-stål klemmer som vil være minst lik den til de nuværnde stålelementer.

Claims (7)

1. Karbonholdig anode konstruert for celler for fremstilling av aluminium ved brennelektrolyse ifølge Hall-Heroult prosessen, forbundet med det positive strøminntak ved hjelp av minst en stålleder, omfattende en nedre del som trenger inn i den karbonholdige anode og en øvre del forbundet med det positive strøminntak, karakterisert ved at den øvre del av stållederen over minst 30% av lengden av den øvre del har et tverrsnittsareal på høyst lik 60% av tverrsnittsarealet for den nedre del.

2. Anode ifølge krav 1, karakterisert ved at stållederen er en rund stav som er pakket på kjent måte slik som ved støping i et hulrom (2) i den Øvre del av den på forhånd brente anode.

3. Anode ifølge krav 1, karakterisert ved at stållederen er en pinne hvis lavere ende er tilspisset og som med makt er tvunget inn i den karbonholdige Søderberg pasta som utgjør anoden.

4. Anode ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den øvre del av stållederen med redusert tverrsnitt utgjøres av en fast profil.

5. Anode ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den øvre del av stållederen med redusert tverrsnitt består av en rørformet profil.

6. Anode ifølge krav 2, ved en blokk av karbonholdig pasta som på forhånd er brent ved høy temperatur og i den øvre del utstyrt med minst et pakningshulrom (2), karakter i- sert ved at den nedre del av stållederen som er pakket ved støping i pakningsmunningen har en høyde minst lik dybden av pakningsåpningen.

7. Anode ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 6, karakterisert ved at den opp til et nivå minst lik den til forbindelsen mellom den nedre del og den innsnevrede øvre del av stållederen er dekket med et isolerende materiale slik som aluminiumoksyd, størknet og knust kryolitholdig elektrolysebad eller granulert karbonholdig pasta.