PL111347B1 - Apparatus for manufacture of aluminium by means of electrolysis - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 15.01.1982 111347 Int. Cl.2 C25C 3/08 C25C 5/04 Twórca wynalazku: — Uprawniony z patentu: Schweizerische Aluminium AG., Chippis (Szwaj¬ caria) / Urzadzenie do otrzymywania aluminium przez elektrolize Wynalazek dotyczy urzadzenia do otrzymywania aluminium przez elektrolize, w elektrolizerze z anodami zanurzonymi w masie stopionej i preta¬ mi katodowymi lezacymi naprzeciwko nich w pew¬ nej odleglosci, ulozonymi w bloku weglowym, przy czym miedzy nimi a anodami wydzielajace sie aluminium sluzy jako katoda.W celu otrzymania przez elektrolize aluminium w postaci tlenku glinowego P/A1208/ w znanych sposobach prowadzi sie elektrolize stopionego flu¬ orku, który sklada sie glównie z kriolitu /Na8ALF8/.Aluminium wydzielane katodowo zbiera sie pod stopionym fluorkiem na dnie wanny z wegla; po¬ wierzchnia górna cieklego aluminium tworzy wte¬ dy katode. W cieklym fluorku zanurza sie anode, na której przez elektrolityczny rozklad tlenku gli¬ nu otrzymuje sie tlen. Tlen wiaze sie przy elektro¬ lizie z weglem do CO i C02.Elektryczna przewodnosc wlasciwa cieklego flu¬ orku jest w stosunku do cieklego aluminium tale zla, ze prad elektrolizy, który opuszcza anode prze¬ plywa w przyblizeniu pionowo przez stopiony flu¬ orek, to znaczy pionowa gestosc pradu jest w elektrolicie, wzglednie stopionym fluorku ogólnie wszedzie porównywalne. Nie dotyczy to_ jednak bloku weglowego i umieszczonych w nim pretów katodowych, przykladowo zelaznych. Blok wegla, prety katodowe i opornosc przejscia miedzy oby¬ dwoma materialami maja rózne elektryczne wlas¬ ciwosci, dlatego tez blok wegla przyjmuje na obrze- 15 2 zu wanny wzglednie wiekszy prad, niz w srodku wanny. To zmniejszenie natezenia pradu na stro¬ nie dolnej cieklego aluminium, jest nawet wtedy nierównomierne, gdy ciekle aluminium na swojej stronie górnej, jest zupelnie równomierne zaopatrzo¬ ne w prad.Skladowe gejstosci pradu, skierowane na ze¬ wnatrz zasadniczo poziomo, wystepujace w cieklym aluminium, sa bardzo szkodliwe; wytwarzaja one razem z nieuniknionymi skladowymi indukcji ma¬ gnetycznej sily w cieklym aluminium, które róznia sie bardzo od sil wystepujacych w elektrolicie i prowadza do falowania cieklego aluminium, wzglednie do jego przeplywów.Ze wzgledu na to, celem wynalazku jest usu¬ niecie na zewnatrz poziomych skladowych elek¬ trycznego pradu w cieklym aluminium i osiagnie¬ cie przeplywu w pionowym kierunku ze stala ge¬ stoscia pradu.Cel ten zostal osiagniety za pomoca urzadzenia, w którym elektryczne polaczenie pomiedzy wykla¬ dzina z wegla a pretami katodowymi stanowi me¬ dium przewodzace elektrycznosc uksztaltowane zmniejszajaco od srodka elektrolizera do jego kra¬ wedzi, a jego opór przejscia wzrasta w, jednako¬ wym kierunku. Dzieki temu, sily w cieklym alumi¬ nium oraz w elektrolicie sa jednakowej wielkosci, co powoduje, ze wspomniane falowanie, a takze przeplywy metalu sa albo mocno zredukowane lub nastepuje zupelny ich zanik. Jest to osiagniete 111347111 347 3 4 przez usuniecie skierowanych na zewnatrz pozio¬ mych skladowych elektrycznego pradu w cieklym aluminium.• W urzadzeniu wg wynalazku pomiedzy wykla¬ dzina z wegla a pretami katodowymi, w przestrze¬ ni posredniej jest umieszczane medium w postaci warstwy przewodzacej elektrycznosc, której gru¬ bosc zmniejsza sie od srodka elektrolizera do je¬ go krawedzi, lub pomiedzy wykladzina z wegla . a pretami katodowymi, w przestrzeni posredniej jest umieszczone medium w postaci warstwy przewo¬ dzacej elektrycznosc, skladajacej sie z wycinków, przy czym wolne przestrzenie pomiedzy tymi wy¬ cinkami sa umieszczone w pewnym odstepie od siebie z tym, ze te wycinki maja dlugosc zmniej¬ szajaca sie od srodka elektrolizera do jego kra¬ wedzi, a wolne przestrzenie pomiedzy wycinkami maja dlugosc wzrastajaca od srodka elektrolizera do jego krawedzi. Dzieki temu osiaga sie w spo¬ sób stopniowy zmniejszenie przeplywu pradu od srodka elektrolizera do jego obrzezy.Korzystnie gdy wykladzina weglowa sklada sie z pojedynczych wstepnie wypalonych bloków we¬ glowych powiazanych elektrycznie z zelaznymi pre¬ tami katodowymi przez dobrze przewodzaca ubita mase lub tylko czesciowo przewodzace zeliwo, co prowadzi do podwyzszenia opornosci przejscia w kierunku do obrzeza wanny. Prad pobierany przez blok weglowy wzmacnia sie w kierunku do srodka wanny, wzglednie zmniejsza sie w kierunku do obrzeza wanny i moze nawet calkowicie zaniknac.Przy .przewidzianych rozmiarach oporu przejscia mozna osiagnac pionowy przeplyw pradu w ciek¬ lym aluminium.Unikniecie poziomych i na zewnatrz skierowa¬ nych skladowych pradu w cieklym aluminium, zmniejsza powtórne utlenianie juz powstalego alu¬ minium przez gaz anodowy, podczas, gdy falo¬ wanie metalu i/lub przeplywy metalu-cieklego aluminium jest znacznie zmniejszone lub dopro¬ wadzone do zaniku, zmniejsza sie równiez strata ciepla na zewnatrz pretów katodowych, poniewaz wraz z elektryczna opornoscia przejscia takze jest podwyzszony opór cieplny pomiedzy pretami kato¬ dowymi a wykladzina z wegla.Urzadzenie wedlug wynalazku jest uwidocznio¬ ne w przykladach wykonania na rysunku, na któ¬ rym fig. 1 przedstawia przekrój wzdluzny przez czesc zwyklego elektrolizera do aluminium, fig. 2 — przekrój poprzeczny przez linie II—IV, zgodnie z fig. 1, fig. 3 — powiekszony wykrój z fig. 2, fig. 4 — powiekszony wykrój odpowiadajacy fig. 3, do innego przykladu wykonania, fig. 5 — przebieg linii pradu, ze zwyklymi pretami katodowymi, a fig. 6 — przebieg linii pradu z powiekszonym opo¬ rem przejscia wobec obrzezy wanny, od pretów katodowych do dna bloku wegla.Przez wanne stalowa 1 z warstwa wewnetrzna 2 izolujaca cieplnie i wylozona wykladzina 3 z wegla rozciaga sie w kierunku wzdluznym nosnik 4 anod w rodzaju belki, która za pomoca wrzeciona 6 jest podparta na trzonie 5 i przesuwna w plonie w kierunku strzalki Y za pomoca kola slimakowego 7, zazebiajacego sie z wrzecionami 6.Z nosnikiem 4 sa polaczone przez zamki 8 trzo¬ ny 9 anod, przebiegajace w przyblizeniu pionowo, które na swoich koncach, od strony wanny sa po¬ laczone z anodami 10 z bezpostaciowego wegla.Anody 10 moga przesunac sie swoimi trzonami 9 w zamkach 8 w kierunku strzalki Y i przez to odleglosc h pomiedzy strona dolna 11 anody a po- . wierzchnia zewnetrzna 12 wykladziny 3 z wegla moze byc zmieniana oraz ustawiana.Jak jest wyjasnione, zwlaszcza na fig. 2 wanna stalowa 1 zawiera jeden nosnik 4, zawierajacy po¬ przeczna belke 13 dla trzonów 9, przechodzaca przez wanne w jej osi symetrii Mi. Wykladzine 3 z wegla na calej szerokosci b przenikaja prety ka¬ todowe 14 ze stali, których czesci koncowe 15 sa polaczone, przez gietki przewód pradowy 16, z bocznymi szynami pradowymi 17.Wewnatrz wanny stalowej 1, wzglednie prze¬ strzeni wewnetrznej I, utworzonej przez wykladzi¬ ne 3 znajduje sie stopiony fluorek, skladajacy sie w wiekszej czesci z kriolitu /NagALFe/, jako elek¬ trolit s dla otrzymywania aluminium z tlenku gli¬ nowego /A1203/ przez elektrolize. Aluminium A wydzielane katodowo zbiera sie na wykladzinie z wegla; powierzchnia górna 20 warstwy aluminium A stanowi katode dla procesu elektrolizy, przez która przechodza anody 10 do odleglosci d. Przez nosnik/-iki/ 4 oraz trzony 9 jest doprowadzony do anod 10 prad staly, który przeplywa przez elektro¬ lit S, ciekle aluminium A i wykladzine 3 z wegla do przyporzadkowanych pretów katodowych 14, od pretów katodowych 14 wanny elektrolizera E prad przeplywa do nosnika 4 nastepnej wanny /nie przedstawionej/; prad moze odbierac odpowiednia, dowolna ilosc wanien. Elektrolit S jest przykryty skorupa 30 z zakrzeplego stopionego fluorku; rów¬ niez na bokach 29 wykladziny 3 tworza sie tak zwane skorupy brzegowe 31. Skorupy brzegowe 31 okreslaja pozioma wielkosc f kapieli z cieklego aluminium i elektrolitu S.Przykrywajaca skorupa 30 lezy na warstwie tlen¬ ku glinowego 32. Ponizej skorupy 30 znajduje sie pusta przestrzen 33, utworzona nad elektrolitem S.Odleglosc d od strony dolnej anody 11 do po¬ wierzchni górnej 20 aluminium, zwanej równiez odlegloscia interpolacji, mozna zmieniac w celu podniesienia lub opuszczenia nosnika 4 w kierun¬ ku strzalki Y, za pomoca urzadzenia podnoszace¬ go 6^7, nastepuje to jednoczesnie dla wszystkich anod 10 lub tez za pomoca zamka 8 dla kazdego z osobna trzonu 9 anody.Fodczas elektrolizy, na skutek oddzialywania uwolnionego tlenku, anody 10 zuzywaja sie dzien¬ nie na swojej stronie dolnej 11, w zaleznosci od rodzaju wanny, od okolo 15 do. 20 mm, jedno¬ czesnie podnosi sie lustro powierzchni górnej 20 cieklego aluminium A, w równych odstepach cza¬ su od 15 do 20 mm. Po zuzyciu anod 10 wymie¬ nia sie je na nowe anody 10. Anody 10 musza byc wymieniane oddzielnie w przeciagu kilku tygodni.Zwlaszcza z fig. 1 mozna poznac, ze w wannie E znajduja sie anody 10 o róznym czasie uzytkowa¬ nia. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60111347 5 6 Podczas procesu elektrolizy elektrolit S ubozeje o tlenek glinowy. Przy dolnej koncentracji tlenku glinowego od jednego procenta do dwóch procent w elektrolicie S pojawia sie tak zwany efekt ano¬ dowy, który wplywa na nagle podwyzszenie nor¬ malnego napiecia 4 do 4,5 V do okolo 30 V i wie¬ cej. Najpózniej do tego momentu mozna rozbijac przykrywajaca skorupe 30 i podnosic koncentracje Al2Og przez dodanie nowego tlenku glinowego 32.Zwykle wanna E w normalnej pracy jest uzy¬ wana ^kresowo, tak ze wtedy opisany efekt ano¬ dowy nie wystepuje. Poza tym, jak wiadomo po kazdym efekcie anodowym — jak przedstawiono — rozbija sie przykrywajaca skorupe 30 i podnosi koncentracje tlenku glinowego przez jego dodanie.Efekt anodowy jest w pracy zawsze polaczony z dodatkowa obsluga wanny. Aluminium wytwarza¬ ne elektrolitycznie gromadzone na wykladzinie 3 wanny E, jest pobierane z wanny E z reguly raz dziennie przez znane urzadzenie pobierajace, przy¬ kladowo przez kadz prózniowa 40.Elektryczna przewodnosc wlasciwa elektrolitu S jest w stosunku do przewodnosci wlasciwej ciekle¬ go aluminium A tak zla, ze prad elektrolizy opusz¬ czajacy anody 10 na ich stronie dolnej 11 prze¬ plywa w przyblizeniu pionowo przez elektrolit S — gdy pominie sie efekt krawedziowy — pionowa gestosc pradu w elektrolicie S jest wiec wszedzie jednakowa.Wykladzina 3, która przejmuje prad z cieklego aluminium A, przyciaga z powodu tej elektrycznej odmiennosci wzglednie wiekszy prad na krawedzi wanny niz w srodku M wanny. Jezeli ciekle alu¬ minium A na powierzchni górnej 20 zaopatrywane jest równomiernie w prad, a prad odbierany na powierzchni wewnetrznej 12 wykladziny 3 jest nie¬ równomierny, wówczas musialyby w cieklym alu¬ minium A przeplywac prady wyrównawcze w kie¬ runku poziomym, aby wstrzymywac wychylenie linii pradu 41, przedstawionych na fig. 2, ponie¬ waz prad elektrolizy opuszcza anody w przyblize¬ niu pionowo i plynie w cieklym aluminium na ze¬ wnatrz, to znaczy'w kierunku do scian wanny sta¬ lowej 1.Skladowe gestosci pradu, skierowane na zew¬ natrz, wystepujace w cieklym aluminium A sa bardzo szkodliwe. Razem z ciagle istniejacymi skladowymi indukcji magnetycznej w sasiedztwie przewodu doprowadzajacego prad, wytwarzaja one w cieklym aluminium A sily, które bardzo róznia sie od sil w elektrolicie S.Z powodu tych róznych sil powstaje falowanie cieklego aluminium i/lub przeplywy. Obydwa po¬ wody pogarszaja znacznie prace wanny, juz wy¬ tworzone aluminium A jest przenoszone wskutek tych efektów w poblize anod 10, gdzie przez bla¬ dzacy tam gaz anodowy /C02/ jest utleniane na A1208, co powoduje podwyzszanie strat produkcji.Te niedogodnosci moga byc, zgodnie z fig. 3, wzglednie fig. 4 unikniete przez elektrycznie prze¬ wodzaca warstwe 42, wzglednie 46, która jest u- mieszczona miedzy wykladzina 3 a pretami kato¬ dowymi 14. Wycinki 43 warstwy 42 maja w kie¬ runku poprzecznym do osi wzdluznej wanny rózne dlugosci n, zmniejszajace sie w kierunku do strony zewnetrznej wanny stalowej 1. Odpowiednio po¬ wiekszaja sie szerokosci p przestrzeni 44* powstalej miedzy wycinkami 43, wylewanymi lub wytlacza- l nymi. W obszarze tych wolnych przestrzeni 44 pre¬ ty katodowe 14 korzystnie sa izolowane wobec wy¬ kladziny 3 materialem 45 elektrycznie zle lub nie przewodzacym. Ta izolacja moze byc przerwana w srodku wanny? i/lub calkowicie na krawedzi wan- 10 ny. Jezeli elektrycznie przewodzace, wylewane lub wytlaczane wycinki 43 sa na zewnatrz krótsze lub wypelnienie, miedzy pretami katodowymi 14 a wy¬ kladzina 3, z zeliwa lub masy ubitej 46 elektrycz¬ nie przewodzacej, zgodnie z fig. 4, zmniejsza sie w jednakowym kierunku, pogarsza sie z jednej strony kontakt miedzy zelaznymi pretami katodo¬ wymi 14 a wykladzina 3 z drugiej strony; w kie¬ runku do krawedzi. Odpowiednio zwiekszajaca sie na zewnatrz opornosc przejscia jest wedlug spo¬ sobu obliczania sieci elektrycznej tak wyznaczona, ze pobór pradu przez wykladzine 3 z wegla z cie¬ klego aluminium A jest w calej wannie E wsze¬ dzie jednakowy.Zreszta z fig. 4 mozna rozpoznac, ze wykladzi¬ na weglowa 3 jest wytwarzana z pojedynczych blo¬ ków 3a, Sb, polaczonych spoina stykowa 47. Pret katodowy 14 jest przedstawiony jednoczesciowo, chociaz takze, jak przedstawiaja fig. 5 i 6 moze byc uksztaltowana dwuczesciowo. Na fig. 5 prety katodowe 14 sa uksztaltowane w zwykly sposób podczas, gdy na fig. 6 pogarsza sie z jednej stro¬ ny kontakt miedzy zelaznymi pretami katodowy¬ mi 14 a wykladzina 3 z drugiej strony, w kie¬ runku krawedzi wanny. Prad elektryczny, charak¬ teryzowany przez linie pradu 4?, przeplywa przez trzony 9; plaszcz 50, anody 13, stopiony elektrolit S, ciekle aluminium A i dno weglowa 48 do pre¬ tów katodowych 14. przez które jest doprowadza¬ ny prad, charakteryzowany zawsze przez linie pra¬ du 49.Na fig. 5 linie pradu w cieklym aluminium A przebiegaja silnie na zewnatrz, np. w stosunku do krawedzi elektrolizera i wywoluja falowanie cie¬ klego aluminium A, wzglednie jego przeplywy.Na fig. 6, w porównaniu przykladowo do przy¬ kladów wykonania przedstawionych na fig. 3 lub 4, gdzie elektryczna przewodnosc wlasciwa, od srod¬ ka elektrolizera w kierunku do jego krawedzi jest zmniejszana lub,zahamowana, linie pradu przebie¬ gaja w przyblizeniu prostopadle przez ciekle alu¬ minium. Tam, gdzie przeplyw pradu miedzy blo¬ kiem katodowym i pretami katodowymi, wzgled¬ nie elektrycznie przewodzaca masa ubita jest za¬ hamowany, przestrzen posrednia miedzy blokiem a pretami wypelnia sie ciagle zeliwem z materia¬ lem izolujacym, np. sznurem azbestowym. Przez to nie tylko falowanie, ale takze i przeplyw metalu sa zredukowane lub zupelnie zanikaja. PL

Claims (7)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Urzadzenie do otrzymywania' aluminium przez elektrolize w elekrolizerze z anodami zanurzonymi w masie stopionej i lezacymi naprzeciwko nich, w pewnej odleglosci pretami katodowymi, oslonietymi 20 25 30 35 40 43 50111 347 blokami weglowymi, przy czym wydzielane miedzy nimi a anodami aluminium sluzy jako katoda, zna¬ mienne tym, ze elektryczne polaczenie pomiedzy wykladzina (3) z wegla a pretami katodowymi (14) starowi medium przewodzace elektrycznosc, u- ksztaltoiwane zmniejszajac© w kierunku od srodka pczejsoia wzrasta w jednakowym kierunku.
2. 2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze pomiedzy wykladzina (3) z wegla a pretami ka¬ todowymi (14) wT przestrzeni posredniej jest u- mieszczone medium w postaci warstwy przewodza¬ cej' sie od srodka (M) elektrolizera (E) do jego kra¬ wedzi (31).
3. 3. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze pomiedzy wykladzina (3) z wegla a .pretami katodowymi (14) w przestrzeni posredniej jest u- mieszczone medium w postaci warstwy przewodza¬ cej (42) elektrycznosc, skladajacej sie z wycinków (43), przy czym wolne przestrzenie (44), pomiedzy wycinkami (43), sa umieszczone od siebie w od¬ leglosci (p), z tym, ze wycinki (43) maja dlugosc (n), zmniejszajaca sie od srodka (M) elektrolizera 10 15 20 8 (E) do jego krawedzi (31), a wolne przestrzenie (44) pomiedzy wycinkami (43) maja dlugosc wzrastaja¬ ca od srodka (M) elektrolizera (E) do jego krawe¬ dzi (31).
4. 4. Urzadzenie wedlug zastrz. 2 lub 3, znamienne tym, ze warstwy (42, 46), o grubosci zmniejszajacej sie wzdluz krawedzi lub wycinki (43) sa wykonane z zeliwa.
5. 5. Urzadzenie wedlug zastrz. 2 lub 3, znamienne tym, ze warstwy (42, 46), o grubosci zmniejszajacej sie wzdluz krawedzi lub wycinki (43) sa wykonane z zageszczonego przez ubijanie medium przewo¬ dzacego elektrycznosc.
6. 6. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym„ ze wykladzina (3) jest zlozona z pojedynczych, wstepnie wypalonych bloków (3a, 3b) wegla.
7. 7. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym„ ze przestrzenie pomiedzy elektryczna warstwa prze¬ wodzaca (42, 46) z jednej strony oraz wykladzina (3) z wegla i/lub prety katodowe (14) z drugiei strony sa przynajmniej czesciowo zaopatrzone w izolujace medium (45) elektrycznie zle przewodza¬ ce. Fig.1111 347 Fig. 2 U2( Fig. 3 Fig.4111 347 Fig. 5 ^-L 50 "*«*¦ 49 •iif/^^^S^ii^\ 10 -a^..-4- 50 S A _i_L_L 31 49 48 29 i-ig.6 50 49 10 "1.,- ..iv. "•¦-" -^ £ W- w.-^ S A 48 29 2 Bltk 57a|. 81 r. 105 egz. A4 Cena 45 zl PL