NO861055L - Elektrolysekar for fremstilling av aluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse, idet karet omfatter et ytre stålhylster, en varmedemmende elektrisk isolasjon samt en indre foring som hvoedsakelig består av karbonmaterial med innlagte katodestaver av jern.

For utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne i en fluoridsmelte, som for største delen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg på cellens karbonbunn på undersiden av fluoridsmelten, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved de vanligste elektrolysemetoder består av amorft karbon. Ved den elektrolyttiske spalting av aluminiumoksyd oppstår det ved karbonanodene oksygen, som forbinder seg med anodenes karbon til dannelse av C02og CO. Elektrolysen finner sted i et tempera turområde på omkringe 940 - 970°C.

Den indre foring av elektrolysekaret består av forut innbrente katodeblokker med en eller to innlagte katodestaver av jern. Disse katodeblokker, som også kalles karbonbunnelementer, sammenføyes innbyrdes under elektrolysekarets oppbygning ved hjelp av fersk, karbonholdig stampemasse, eller sammenklebes innbyrdes ved en annen fremstillingsprosess. Vanligvis er bunnen av karbonforingen i sideretningen avgrenset av kantstener eller kantplater, som også består av forut innbrent karbonholdig material. Forbindelsen mellom katodeblokkene og kantstenene eller kantplatene oppnås vanligvis ved at den mellomliggende spalte mellom disse to typer formede legemer fylles med den ovenfor omtalte stampemasse.

Forbindelsesstedene mellom formlegemene og stampemassen ut-gjør alltid svake punkter i den indre karbonforing. En be-traktelig krympning som opptrer under kalsineringen av stampemassen, medfører dessuten en tendens til skille mellom formlegemene og stampemassen. Dette fører til dannelse av sprekker i stampemassen eller til og med til at stampemassen trekkes bort fra formlegemet. Det flytende aluminium og/eller elektrolytten kan da trenge inn i karbonforingen og eventuelt også nå frem til katodestavene av jern. Ved kjemisk påvirk-ning av aluminium på katodestavene kan det til og med opptre delvis oppløsning av stavene. Den elektriske strøm gjennom elektrolysecellen vil da i høy grad bli hindret, hvilket kan føre til driftsforstyrrelser og endelig driftstopp for hele elektrolysecellen.

Allerede i den offentliggjorte ansøkning DE-OS 2.529.215 er det angitt forsøk på å beskytte katodestavene av jern bedre mot korrosjon fra den foreliggende elektrolytt av smeltede aluminiumsalter. Dette oppnås på den ene side ved avkall på anvendelse av støpejern, idet katodestavene allerede under karbonbunnelementenes fremstilling ble innpasset i karbonmaterialet og fast forbundet med dette uten anvendelse av støpe-jern eller stampemasse. På den annen side ble det i henhold til ovenfor angitt DE-OS 2.529.215 anvendt karbonbunnelementer som var utformet i et stykke med kantplatene.

På denne bakgrunn av kjent teknikk er det da et formål for oppfinnelsen i høy grad å nedsette mulighetene for inntreng-ning av flytende aluminium eller elektrolyttmateria1 i den indre karbonforing av en elektrolysecelle samt derved å redu-sere den tilsvarende nedbrytning av jernstavene i karbonbunnen på sådan måte at de benyttede virkemidler ikke i vesentlig grad belaster elektrolysekarets fremstillingsomkostninger.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at det i det

minste ved den indre overflate av karet er anordnet overganger fra karbon til karbon eller eventuelt fra karbon til et annet konstruksjonsmaterial, idet disse overganger er utført med en fugeavtetning av et partikkelmassemateria1 som ved driftstemperatur er bestandig overfor smelteelektrolytt og flytende aluminium samt har et smeltepunkt over 1000°C og en densitet over 2 , 7 g/cm3 .

Densiteten over 2,7 g/cm<3>er åpenbart nødvendig for at fugeavtetningen ikke skal kunne flyte ovenpå flytende aluminium.

For at strømovergangen fra aluminium til karbonforingens bunn ikke skal forstyrres ved at den elektriske overgangsmotstand øker, må fugeavtetningen være innskrenket til de særlig ut-satte områder. Ved nevnte overganger er det derfor på den ene eller begge sider av fugen fortrinnsvis tatt ut sporformede fordypninger i karbonmaterialet og/eller det annet konstruksjonsmaterial, for at fugeavtetningen kan legges inn i disse. Dette gjelder særlig overgangene fra kantstampemassen til karbonbunnelementene, samt fra kantstampemassen til kantstenene eller isolasjonen og/eller mellom de forskjellige karbonbunnelementer. De fugeformede overganger kan være fylt med fuge-avtetningsmasse i hele sin høyde. I praksis er det imidlertid vanligvis tilstrekkelig om i det minste de øverste 5 cm som grenser mot den indre overflate av karbonkaret består av fugeavtetningsmateria 1. Den nedre del kan da fylles med vanlig stampemasse eller også med oppmalte rester av isola-sjonsmaterial. Med hensyn til driftsegnethet oppfyller særlig følgende materialer de fordringer som stilles til fugeavtetningen;

kalsiumoksyd, magnesiumoksyd, bariumoksyd, kalsiumfluorid, magnesiumfluorid, bariumfluorid, silisiumfluorid, jern II-oksyd, silisiumkarbid, titannitrid, bornitrid, krom III-oksyd og aluminiumoksyd.

De angitte materialer kan anvendes som fugeavtetning enkelt-vis eller blandet med minst et av de øvrige anførte materialer. Skjønt f.eks. også titandiborid oppfyller de tekniske fordringer, kan et sådant material likevel ikke med fordel anvendes med tanke på den totale driftsegnethet.

De anvendte materialer for fugeavtetningen foreligger fortrinnsvis i pulverform. På anvendelsesstedet kan de således mekanisk tettpakkes f.eks. i en sporliknende uttagning, særlig ved vibrasjon eller innstampning.

En sådan sugeavtetning i henhold til oppfinnelsen medfører i første rekke følgende fordeler: Den flytende smelteelektrolytt eller smeltet aluminum finner få eller ingen riss eller luftspalter som de kan trenge inn i .

Elektrolysekarets karbonforing oppnår i sin helhet større holdbarhet og derved lengere levetid, hvilket medfører betyde-lige økonomiske fordeler.

Fugeavtetningen kan anvendes i forbindelse med stampe-masser for såvel kold som varm innstampning.

Bunn- og kantforingen av formlegemer i karbonmaterial kan forbindes direkte med hinannen uten kantstampemasse, på samme måte som de forskjellige karbonbunnelementer.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av utfør-elseseksempler og under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et vertikalsnitt gjennom en del av et elektrolysekar med vanlige karbonbunnelementer, Fig. 2 viser et vertikalsnitt gjennom en del av et elektrolysekar med karbonbunnelementer og kantplater utført i et stykke, Fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom et karbonbunnelement, Fig. 4 visr et tverrsnitt gjennom karbonbunnelementet i fig. 3 langs linjen IV -JV, og Fig. 5 viser et tverrsnitt langs karbonbunnelementet i fig. 3 langs linjen V - V.

Det elektrolysekar 10 som er vist i delsnitt i fig. 1 har et ytre stålhylster 12 som er utført med et bunnisolasjonssjikt 14. Ovenpå dette sjikt ligger horisontalt anordnede karbonbunnelementer 16 med innlagte katodestaver 18 av jern. Karbonbunnelementene 16 består av amorft karbonmaterial, semi-grafitt eller grafitt. Katodestavene 18 av jern er stampet, støpt, klebet inn i bunnelementene eller fastklemt ved klem-pasning i disse. På siden av elektrolysekaret 10 er det anordnet en kantsten 20, som består av karbonmaterial. Denne kantsten 20 er adskilt fra karbonhylsterets sidevegg ved et ikke vist elektrisk isolasjonssjikt og understøttes av et lag schamottesten 22. Fugen mellom karbonbunnelementene 16 og kantstenerfe 20 samt schamottestenene 22 er fylt med en kantstampemasse 24 og danner en skråkant i sideretningen. Ved overflaten 26 av karets innside er overgangene fra kantstampemassen 24 til karbonbunnelementene 16 og kantstenene 20 beskyttet med hver sin fugeavtetning 28. Disse avtetninger er anordnet i sporliknende uttagninger i formlegemene og som for-løper i karets lengderetning.

I den utførelsesform som er vist i fig. 2, er det mellom kantstenen 20 av silisiumkarbid og karbonelementet 16 i et stykke ingen fuge fylt med kantstampemasse (24 i fig. 1). Av denne grunn behøver bare overgangen fra kantstenen 20 til sideav-snittet av karbonbunnelementet 16 å være beskyttet. Denne be-skyttelse oppnås også her med en fugeavtetning 28 i pulverma-terial, som er lagt inn i en sporliknende uttagning som for-løper i lengderetningen av karbonbunnelementet 16, og som er mekanisk fortettet. Den sporliknenede uttakning for fugeavtetningen 28 kan, sett i snitt, ha en sidelengde mellom 5 og 10 cm samt være utformet som kvaderat eller rektangel.

Det viste karbonbunnelement 16 i fig. 3 har to katodestaver 18 av jern anordnet midt på elementet i innbyrdes avstand. De spor som er tatt ut i karbonbunnelementet 16 for innlegg av katodestavene 18 er noe forlenget mot midten av elementet, således at det foreligger en utvidelsesfuge 30. Denne fuge er

fylt med fugeavtetningsmaterial 28 i pulverform.

I hver av endeflatene 32 av karbonelementet 16 er det oventil tatt ut i tverretningen en utsparring for fugeavtetning 28 i pulverform.

Det viste vertikale tverrsnitt i fig. 4 langs endeflaten 32 av karbonbunnelementet 16 forløper likeledes gjennom den anordnede fugeavtetning 28 i elementets tverretning. Det vertikale tverrsnitt i fig. 5 viser imidlertid fugavtetningene 28 i lengderetningen av karbonbunnelementet 16.

Når karbonbunnelementet 16 av den art som er vist i fig. 3-5 f.eks. settes sammen ved sammenklebning, foreligger følgende avtetninger.

På begge sider av elektrolysekaret 10 forløper en fugeavtetning 28 i lengderetningen og som er satt sammen av samtlige fugeavtetninger 28 på endeflatene 32 av karbonbunnelementene 16. På begge kortsider 32 av elektrolysekaret 10 foreligger også en fugeavtetning 28, som er dannet av fugeuttagninger i de ytterste karbonbunnelementer 16.

Mellom hvert par av innbyrdes inntilliggende karbonbunnelementer 16 vil det dessuten også foreligge en fugeavtetning 28 i lengderetningen. ,

Alle fugeavtetninger 28 grenser inn mot den indre overflate av elektrolysekarets karbonforing.

I andre utførelsesformer kan naturligvis f.eks. fugeavtett-ningene 28 mellom de forskjellige karbonbunnelementer 16 utela tes.

Claims (6)

1. Elektrolysekar for fremstilling av aluminium ved smelte-

elektrolyse, idet karet (10) omfatter et ytre stålhylser (12), en varmedemmende elektrisk isolasjon (14) samt en indre foring som hovedsakelig består av karbonmaterial med innlagte katodestaver (18) av jern, karakterisert ved .at det i det minste ved den indre overflate (26) av karet er anordnet overganger fra karbon til karbon eller eventuelt fra karbon til en annet konstruksjonsmaterial, idet disse overganger er utført med en fugeavtetning (28) av et partikkelmassematerial som ved driftstemperatur er bestandig overfor smelteelektrolytt og flytende aluminium samt har et smeltepunkt over 1000°C og en densitet over 2,7 g/cm3 .

2. Elektrolysekar som angitt i krav 1, karakterisert ved at det på den ene eller begge sider av nevnte overganger er tatt ut forut innbrent karbonmaterial og/eller nevnte annet konstruksjonsmaterial for dannelse av karbonliknende fordypninger, som tjener til opptak av vedkommende fugeavtetning (28).

3. Elektrolysekar som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at overgangene fra kantstampemassen (24) til karbonbunnelementene (16), samt fra karbonstampemassen (24) til kantstener eller- plater (20) og/eller mellom de forskjellige karbonbunnelementer (16) innbyrdes i det minste innenfor de øverste 5 cm er fylt med nevnte fugeavtetning (28).

4. Elektrolysekar som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at nevnte fugeavtetning (28) består av minst en komponent fra en rna terialgruppe som omfatter kalsiumoksyd, og magnesiumoksyd, bariumoksyd, kalsiumfluorid, magnesiumfluorid, bariumfluorid, silisiumoksyd, jern III-oksyd, silisumkarbid, titannitrid, bornitrid, krom III-oksyd og aluminiumoksyd.

5. Elektrolysekar som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at fugeavtetningen (28) foreligger i pulverform.

6. Elektrolysekar som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at fugeavtetningen (28) fortettes ved hjelp av mekaniske midler, fortrinnsvis ved vibrasjon eller stamping.