NO159671B - Elektrolysecelle til utvinning av aluminium. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en elektrolysecelle til utvinning

av aluminium, omfattende anoder som under drift dykker ned i en smelteelektrolytt, en katode som omfatter en cellebunn som vesentlig består av grafittblokker som strekker seg over bredden av cellen og som under drift er belagt med et lag av flytende aluminium og hvor det er innført katodiske strømtil-førselsledere i grafittblokken, samt med et kar som omgir cellebunnen og under drift smelteelektrolytten.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminium-oksyd etter Hall-Heroult-metoden er oksydet oppløst i en smelte vesentlig bestående av kryolitt. Det fraskilte aluminium samler seg på cellebunnen under kryolittsmelten og danner cellens katodiske overflate. Anodene av karbon som dykker ned i kryolittsmelten, blir under elektrolyseprosessen stadig forbrukt ved oksydasjon til karbondioksyd og karbonmonoksyd, og forbruket blir kompensert ved forskyvning av anoden i retning mot katoden og sluttelig innføring av nye anoder. Cellebunnen, som likeledes består av karbon, og som aluminiumskiktet samler seg på, deltar ikke i de elektrokjemiske reaksjoner og er i prinsippet ubegrenset holdbar. I virkeligheten undergår karbonet i bunnen

i kontakt med aluminiumsmelten en gradvis omdannelse, hvis følger - deformasjon av katode-celledelen ved dannelse av alu-miniumkarbid og grafittinnleirings-forbindelser, økning av ovn-spenning og forurensninger av aluminimsmelten - til slutt gjør det nødvendig å koble cellen fra og fornye ovnsbunnen. Det trenger ingen nærmere forklaring at utfall av elektrolyseceller influerer vesentlig på produksjonen og omkostningene ved en aluminiumelektrolyse, og det har derfor ikke manglet på forsøk på å øke cellenes levetid. Cellebunnens holdbarhet er bl.a.

også en funksjon av stoffsammensetningen av de blokker som bunnen er oppbygget av. Relativt gunstig forholder seg blokker som vesentlig består av grafitt, som er beskrevet anvendt til dette formål f.eks. i US-A 3 369 986. Grafittblokker blir mindre sterkt angrepet av alkalier, undergår tilsvarende mindre volum-endringer under elektrolysecellens drift og har dessuten et forholdsvis lavt spenningsfall som bare stiger langsomt under elektrolysen. Denne gunstige effekt blir fremfor alt oppnådd

med blokktyper som vesentlig består av grafitt, spesielt også med blokker av karbonbundet grafitt (semigrafitt), som i det følgende likeledes vil bli betegnet som grafitt.

Karbon- eller grafittblokkene som danner cellebunnen, er

i alminnelighet forsynt med spor hvor strømledere, f.eks. katode-staver av jern, er innlagt og forbundet med blokkene ved hjelp av fyllmasse innstøpt eller -stampet i de revnede fuger. Som fyllmasse anvender man temperaturbestandig og elektrisk strøm-ledende kitt- og stampemasser eller fremfor alt støpejern. Be-festigelsen av strømlederne er ikke bare arbeidskrevende, men der kan i blokkene på grunn av de sjokkartede temperaturforandringer utvikles mekaniske spenninger som skader blokkenes struktur. Også ved oppvarmningen av bunnen til elektrolysecellens driftstemperatur oppstår der, på grunn av de store for-skjeller i varmeutvidelse mellom blokk og strømtilførsel, be-traktelige mekaniske spenninger i cellebunnen, likeledes med mulighet for å utløse sprekker. Aluminiumsmelten som samler seg på cellebunnen, kommer gjennom slike sprekker raskt i kontakt med jernet i strømtilførselslederne, som dermed blir opp-løst i smeiten. Den raske stigning i aluminiumsmeltens jern-innhold er et tegn på denne prosess, som sluttelig fremtvinger frakobling av cellen.

Under elektrolysecellens drift flyter elektrolysestrømmen med utgangspunkt i karbonanodene gjennom kryolittsmeiten praktisk talt i vertikal retning, trer så inn i det smelteflytende aluminiumskikt, som har vesentlig større elektrisk ledningsevne, og blir i dette preferert avbøyet i retning mot ovnssidene. Den horisontale strømkomponent bevirker i forbindelse med den verti-kale komponent av magnetfeltet ugunstige deformasjoner av metall-badets overflate og en sirkulasjonsbevegelse av aluminiumsmelten, hvorved der i tilfellet av kort polavstand mellom katode og anode kan bli reoksydert aluminium. En minskning av strøm-utbyttet kan derfor i alminnelighet bare forhindres ved økning av elektrodeavstanden, hvorved cellespenningen selvsagt stiger. Det har vært foreslått å eliminere eller i det minste svekke denne for energiregnskapet ugunstige effekt ved gradiell end-ring av motstanden i cellebunnen. Fra DE-A 2 0 61 2 63 er det kjent å utjevne strømtettheten av elektrolysestrømmen ved at man lager bunnen av blokker med forskjellig elektrisk motstand. Motstandsgradienten blir f.eks. innstilt ved at der i midten

av bunnen plasseres grafittblokker med liten spesifikk elektrisk motstand og ved randen av bunnen anbringes karbonblokker med relativt stor elektrisk motstand. Dette forslag er ugunstig forsåvidt som anvendelsen av blokker som er forskjellige med hensyn til elektrisk motstand, utelukker bruk av blokker som strekker seg på tvers over hele ovnsbunnen. Bruk av mindre blokker øker antallet av fuger og dermed sannsynligheten for gjennom-brudd til strømtilførselslederne av jern.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å forlenge levetiden av cellebunnen hos en elektrolysecelle til fremstil-ling av aluminium, minske spenningsfallet i cellebunnen og så-vidt mulig hindre lokale variasjoner i strømtetthet.

Denne oppgave løses med en elektrolysecelle av den inn-ledningsvis nevnte art som er kjennetegnet ved at der i uttagninger i endene av blokkene er innført grafittstaver som er ført gjennom cellens sidebegrensning for strømtilførsel.

Grafittstavene til strømtilførsel kan ha vilkårlig tverr-snitt, dog fortrinnsvis sirkelformet. Stavene er med en ende innført i uttagningene i endene av grafittblokkene, og disse uttagninger såvel som den del av strømtilførselslederne som griper inn i dem, er hensiktsmessig utført koniske.

I henhold til oppfinnelsen foretrekkes en skrueforbindelse hvor uttagningen og den del av strømtilførselslederen som griper inn i den, begge har gjenger og er skrudd sammen innbyrdes. I en annen utførelsesform benyttes som forbindelseselement en særskilt skrunippel som griper inn i fatninger i endeflaten av grafittblokken og strømtilførselsstaven og er skrudd sammen med disse.

Fordelaktig er også tilleggsforbindelsen for strømtil-førselsstavene utført av grafitt og grafittblokkene forsynt med en karbonholdig kontaktmasse som forkokser ved opphetnii jen av skjøtestedet, danner en bro mellom delene og senker over-gangsmotstanden. En egnet masse til dette formål inneholdende epoksydharpiks og tjære som bindemiddel samt grafitt- og metall-

pulver, er beskrevet i DE-A 29 4 2 4 69.

Strømtilførselsstavene er ført gjennom gjennombrytninger

i den av karbonstener oppbyggede cellevegg, i det mellom cellevegg og kar anordnede skikt av termiske isolasjonsstoffer og i karet som begrenser cellen, og den del av grafittstaven som rager ut av karet, er hensiktsmessig forsynt med et metallskikt som forhindrer oksydasjon av de hete grafittstaver og senker den elektriske kontaktmotstand mellom staven og strømskinnene eller -barrene. Egnede metaller er f.eks. kobber eller aluminium, som kan påføres grafittstavens overflate på kjent måte, f.eks. ved flamme- eller plasmasprøyting. Fordelaktig er også en særskilt kjøling av grafittstavene, f.eks. med en kjølemantel som er påflenset cellekaret og omslutter grafittdelen. Ved kjølingen blir grafittens temperatur senket under den for oksydasjonen kritiske verdi, og tillike er det mulig å regulere varmestrømmen i en viss grad ved å innvirke på mengden av kjølemiddelet. Strøm-tilf ørselsstavene er skrudd sammen med barreformede strømledere direkte eller via fleksible metallbånd.

Den elektrolysecelle til utvinning av aluminium som oppfinnelsen gir anvisning på, har en rekke fordeler fremfor kjente celler. Takket være anvendelsen av et mer korrosjonsfast mate-riale og anvendelsen av strømtilførselsledere av samme materi-ale, blir cellebunnens levetid øket, den bedre dimensjonsstabi-litet muliggjør mindre interpolaravstander og dermed mindre energiforbruk, og forurensninger av aluminiumsmelten med jern er praktisk talt ikke mulig. Å anvende grafittblokker for bunnen av elektrolyseceller er riktignok kjent, men da disse blokker inneholder strømtilførselsledere i form av barrer eller nipler av jern, blir der ved innstøpningen av elementene til strømtil-førsel og fremfor alt også ved idriftsettelsen av cellen på grunn av materialforskjellene i blokkene indusert mekaniske spenninger som i siste omgang forårsaker en ikke alltid til-fredsstillende levetid av cellebunnen. Det samme gjelder for elektrolyseceller hvis bunn dannes av karbonblokker i hvis endeflate der griper inn strømtilførselsledere av stål (Moore, P.E., Vadla, J.J., Fall Meeting Metallurgical Society AIME, oktober 19 63). Cellebunner av denne art oppviser de ovenfor omtalte mangler, og den forholdsvis høye elektriske motstand fører dessuten til en sterkt erosjon av karbonblokkene ovenfor strømtil-førselsstedet. Denne erosjon blir ved en oppbygning av cellebunnen med grafittblokker i samsvar med oppfinnelsen fullstendig unngått, isteden blir der over hele bunnflaten oppnådd en nesten konstant strømtetthet.

Et eksempel på oppfinnelsesgjenstanden vil i det følgende bli belyst under henvisning til tegningen, som viser et skjema-tisk snitt. Elektrolysecellens bunn begrenses av stålkaret 1 som varmeisolasjonsskiktet 2 ligger an imot. Grafittblokker 3 danner den egentlige ovnsbunn, og på denne samler seg et skikt

4 av smelteflytende aluminium som tjener som katodeoverflate.

I skiktet 5 av smeltet elektrolytt rager karbonelektroder 6 ned. Celleveggen 7 danner sidebegrensning for smeltebadet og cellebunnen. Endeflatene 8 av grafittblokkene 3 har anlegg mot celleveggen 7 og er forsynt med gjengefatninger 9, hvori der er innskrudd motsvarende gjengede grafittstaver 10 for strøm-tilførsel. Stavene 10 er ført gjennom gjennombrytninger i cellevegg, varmeisolasjonsskikt og stålkar og ved sine ender 11 skrudd sammen med strømskinner eller lignende. Forskruingen, metallbelegget på grafittstavene og eventuelle kjøleanordninger i anlegg mot stavene er ikke vist på tegningen.

Claims (5)

1. Elektrolysecelle til utvinning av aluminium, omfattende anoder (6) som under drift dykker ned i en smelteelektrolytt (5), en katode som omfatter en cellebunn (2,3) som vesentlig består av grafittblokker (3) som strekker seg over bredden av cellen og som under drift er belagt med et lag av flytende aluminium (4) og hvor det er innført katodiske strømtilførsels-ledere (10) i grafittblokken (3), samt med et kar (1) som omgir cellebunnen og under drift smelteelektrolytten (5), karakterisert ved at der i uttagninger i blokkenes (3) endeflate er innført grafittstaver (10), som er ført gjennom sidebegrensningen (7) og tjener til strømtilfør-sel .

2. Elektrolysecelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at grafittstavene (10) i det minste delvis er belagt med et metall.

3. Elektrolysecelle som angitt i krav 1 og 2, karakterisert ved at grafittstavene (10) er skrudd sammen med grafittblokkene (3).

4. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at der i skruegjengene er innført en temperaturfast kontaktmasse.

5. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at de deler av grafittstavene (10) som rager ut av elektrolysecellen, er omsluttet av en kjøleanordning.