NO168432B - Dreneringskatodecelle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ny dreneringskatodecelle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium i et kryolittbasert bad inneholdende aluminiumoksyd. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en aluminiumproduserende elektrolysecelle hvor badelektrolytten er basert på natriumkryolitt, hvor problemene som skyldes redusert anode-til-katode-avstand som oppstår i de tidligere dreneringskatodeceller er løst ved at det induseres en spesiell type badstrøm i ACD-gapet der tilførselen av aluminiumoksyd lettes, på samme måte som fjernelsen av gassformige produkter, og det gjøres lettere å tappe av det produserte metall. Drift av forsøkselektrolysecellen har vist at det er mulig å tilveiebringe en rikelig tilførsel av oppløst aluminiumoksyd til elektrolysesonen, selv ved meget liten avstand mellom anode og katode.

En vanlig type elektrolysecelle for fremstilling av aluminium er den klassiske Hall-Heroult-utførelsen, som benytter karbonanoder og en i hovedsak flat karbonforet bunn som fungerer som en del av katodesystemet. Det benyttes en elektrolytt i denne fremstillingen av aluminium ved elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd, elektrolytten består hovedsakelig av smeltet kryolitt med oppløst aluminiumoksyd,

og kan inneholde andre materialer som f.eks. kalsiumfluorid, aluminiumfluorid, og andre metallfluoridsalter. Smeltet aluminium som oppstår ved reduksjon av aluminiumoksyd får vanligvis akkumulere i bunnen av beholderen som utgjør elektrolysecellen, som en pute eller en dam av smeltet metall over den karbonforede bunnen, og utgjør derved en flytende metallkatode. Karbonanoder som strekker seg inn i beholderen, og kommer i kontakt med den smeltede elektrolytten, justeres relativt til den flytende metallkatode. Strømsamlerstenger, som f.eks. stål, er oftest støpt inn

i den karbonforede cellebunnen, og fullstendiggjør koplingen til katodesystemet.

Selv om design og størrelser på Hall-Heroult-elektrolytiske celler varierer, har alle en relativt lav energivirkningsgrad, som varierer fra 35 til 45% avhengig av cellegeometri og drifts-forhold. Mens det teoretiske effektbehov for fremstilling av 1 kg aluminium er ca. 6,3 kWh, ligger effektforbruket i praksis i området fra 13,2-18,7 kWh/kg, med et industrielt gjennomsnitt på ca. 16,5 kWh/kg, med et industrielt fra teoretisk energiforbruk skyldes spenningstap i elektrolytten mellom anode og katode. Følgelig har man studert muligheten for å redusere anode-katode-avstanden (ACD).

Fordi den smeltede aluminiumputen som tjener som cellekatoden kan være uregelmessig og variabel i tykkelse på grunn av elektromagnetiske effekter og sirkulasjonen i badet, har tidligere praksis foreskrevet at ACD bør holdes på en trygg verdi fra 3,5 til 6 cm, slik at man er' sikret en relativt høy strømvirkningsgrad, og unngår direkte kortslutning mellom anoden og metallputen. Slike gap-avstander gir spenningsfall på 1,4-2,7 V, som kommer i tillegg til den energi som kreves for selve den elektrokjemiske reaksjonen (2,1 V, basert på entalpi og frienergiberegninger). Følgelig har stor innsats vært rettet mot å utvikle en mer stabil aluminiumpute, slik at ACD kan reduseres til mindre enn 3,5 cm med tilhørende innsparinger i energi.

Ildfaste, harde materialer (RHM), som f.eks. titandiborid, har vært studert i noen tid for bruk som katodeoverflater i form av tegl, men inntil nylig har vedhengende RHM-tegl eller overflatebelegg ikke vært tilgjengelig. Det er kjent at titandiborid er ledende, det har dessuten den unike egenskap at det fuktes av flytende aluminium, og muliggjør således dannelsen av meget tynne aluminiumfilmer. Bruken av en meget tynn aluminiumfilm som renner nedover en skrånende katode dekket med en RHM-overflate, til erstatning for den ustabile smeltede aluminiumputen i tidligere teknikk,

er foreslått som et middel til å redusere ACD, og derved forbedre virkningsgraden, og redusere spenningstapet. Tidligere forsøk har imidlertid ikke ført frem, fordi de tilgjengelige RHM-overflåtene ikke har vært fyldestgjørende, og fordi man ikke har løst problemet med å fremskaffe tilstrekkelig tilførsel av oppløst aluminiumoksyd til den

begrensede ACD (så liten som 1,5 cm). Problemene med utilstrekkelig tilførsel av aluminiumoksyd skjer ved minimal ACD, og omfatter store og vedvarende anode-effekter. Over-tilførsel av aluminiumoksyd for å unngå disse problemene resulterer i avsetning av slam, som kan tette igjen cellen og hindre dens drift.

En alternativ fremgangsmåte for å redusere energiforbruket har vært å smelte aluminium fra aluminiumklorid istedenfor aluminiumoksyd. Denne fremgangsmåten for fremstilling av aluminium krever 30-40% mindre elektrisk kraft enn konvensjonell elektrolyse. Ved denne fremgangsmåten benyttes den vanlige Bayer-prosessen for å overføre bauxitt til aluminiumoksyd, som så overføres til aluminiumklorid i et kjemisk anlegg, og deretter smeltes i en elektrolysecelle. I cellen brytes aluminiumklorid ned til aluminium, som tappes av, og klor, som kan resirkuleres tilbake til det kjemiske anlegg for fremstilling av mer aluminiumklorid. Slike teknikker benytter en gjennomstrømningsreaktor som

har bestandige anoder. De aluminiumproduserende cellene i denne fremgangsmåten er imidlertid uforenelige med Hall-Heroult-typen celler, og kan ikke ettertilpasses til et eksisterende aluminiumanlegg. Kloridprosessen krever derfor store investeringer i en fullstendig ny installasjon.

Den foreliggende oppfinnelse muliggjør i større grad betyde-lige energiinnsparinger i et ettertilpasset anlegg, og fjerner behov for fullstendig nye installasjoner. • Det er mot denne bakgrunn av den foreliggende oppfinnelse ble utviklet.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret aluminium-elektrolysecelle, hvor badelektrolytten er basert på natriumkryolitt, som har forbedret elektrisk virkningsgrad. Det er således en hensikt ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en basiscelle for fremstilling av aluminiummetall fra aluminiumoksyd som kan brukes i et enkelt-cellesystem, eller et fler-cellesystem, som er økonomisk fordelaktig både med hensyn til konstruksjon og drift.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en celleutførelse som gir en smalere ACD enn de tidligere utførelser, og dermed forbedret strømvirkningsgrad og spenningsfall, som kan ettertilpasses til eksisterende Hall-celle-installasjoner. Følgelig er det en hensikt

ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en elektrolysecelle med en ACD på mindre enn 3 cm, hvor en tilstrekkelig aluminiumoksydtilførsel til anode-katode-gapet er sikret, uten at det kreves overtilførsel. Ytterligere hensikter med oppfinnelsen er å tilveiebringe en utforming av en aluminiumreduksjonscelle som innbefatter en gjennomstrømningskonfigura-sjon, og en kontrollert atmosfære.

Disse, så vel som andre hensikter, som vil fremgå tydeligere på basis av det følgende, oppnås ved å tilveiebringe en celle hvor de enkelte prosesstrinn er skilt fra hverandre i størst mulig grad. En skrånende, fast katode benyttes til å forme anoden, som kan være enten av Søderberg-typen eller forbrent, som sammen med egnet valg av andre parametrer som defineres her, induserer en slik badstrøm gjennom anode-katode-gapet at den riktige aluminiumoksydtilførsel til anoden tilveiebringes , uten ugunstig virkning på avtappingen av aluminiumproduktet i en samlebrønn. I en konfigurasjon forårsaker gasspumpevirkningen under anoden at badet strømmer gjennom cellen, inn i et tilførselskammer for cellen, ut av til-førselskammeret og tilbake til motsatt side av cellen. Flere individuelle celler av denne typen kan kombineres i tallrike konfigurasjoner, slik at systemet kan struktureres for de fysiske og økonomiske restriksjoner ved et hvilket som helst anlegg.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en dreneringskatodecelle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium i et kryolittbasert bad inneholdende aluminiumoksyd, kjennetegnet ved at den innbefatter:

et skall som har indre overflate foret med ildfaste materialer og karbonmaterialer, slik at det defineres et katode-hulrom; en katode som har minst en øvre overflate inneholdende et hårdt aluminium-fuktbart, ildfast materiale; minst to anoder som strekker seg inn i katodehulrommet, og som begge har en nedre overflate i avstand fra nevnte øvre overflate av katoden i en anode-til-katode-avstand på 1 cm til 5 cm, hvilket definerer en anode-katode-avstand (ACD) og en strømningsvei mellom anode og katode hvor øvre katodeoverflate og nevnte nedre anodeflate skråner fra horisontalplanet med fra 2° til 15°, slik at det tilveiebringes en nedre ende og en øvre ende av strømningsveien mellom nevnte anode og nevnte katode; en innretning i hulrommet for under drift å tilveiebringe en minimal badstrømningshastighet Q(celle) rundt i det minst en i det vesentlige horisontal badsirkulasjonskrets for å sikre tilførsel av aluminiumoksyd for elektrolysereaksjonen hvori (hvor Avekt-% A1203 er forskjellen i vekt-% AI2O3 i badet ved inngangen og utgangen av ACD-gapet) ved at det tilveiebringes minst en returstrømkanal for å fullføre sløyfen, hvor sløyfen innbefatter: (i) nevnte strømningsvei mellom anoden og katoden; (ii) minst en nedre kanal i fluidkontakt med den nedre enden av nevnte strømningsvei mellom anoden og katoden; (iii) minst en øvre kanal i fluidkontakt med nevnte øvre ende av strømningsveien mellom anode og katode; (iv) minst en returstrømskanal i fluidkontakt med nevnte øvre kanal og nevnte nedre kanal; returstrømskanalen, anbragt mellom nabo-anoder, har dimensjonene h, w og L, hvor h er baddybden i cm ved et hvilket som helst gitt punkt, w er bredden av returkanalen i cm, og L er lengden av returkanalen i cm, og hvor h, w og L er bestemt ved relasjonen hvor Rf er strømningsmotstandeni returstrømkanalen, og hvori maksimalverdien for Rf(cellekanal) er bestemt ved relasjonene

og hvori (X) ligger i området fra 0,2 x 10"<3>/cm<4> til 230 x IO-<3>/cm<4> og hvor (X) er en geometrisk motstandsfaktor.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en elektrolysecelle hvor katoden er slik arrangert og har en slik helling at anodegassene induserer en rikelig og tilstrekkelig strøm av berikede materialer mellom anoden og katoden, uten å hindre avtappingen av smeltet aluminium til en samlebrønn, eller ødelegge overflaten av det aluminium som tappes av slik at lavere strømvirkningsgrad forårsakes. Det bevirkes følgelig at badet flyter fra en beriket sone til en sone hvor badet er noe utarmet i aluminiumoksydinnhold. Badet kan utstyres med automatisk tilførsel av aluminiumoksyd i kontrollert mengde, for å forhindre tilsmussing eller anode-effekter. Figur 1 viser en elektrolysecelle som har en omvendt V-formet katode, eller dobbeltskrånende katodekonfigura-sjon, sett fra enden. Figur 2 viser et cellekonsept ifølge foreliggende oppfinnelse,

med enkeltskrånende katode, sett fra enden.

Figur 3 viser en gjennomstrømningsaluminiumsreduksjonscelle med enkeltskrånende katode og ytre påfylling sett fra enden. Figur 4 viser en V-formet dreneringskatodecelle sett fra

enden.

Figur 5 viser et utkast til en enkeltskrånende dreneringskatodecelle, som benytter et system for kontinuerlig aluminiumavtapping og separat påfylling og blandesone. Figur 6 viser et utkast til et fler-cellesystem, som benytter flere enkeltstående dreneringskatodeceller i tandem. Figur 7 viser et utkast til en enkeltskrånende dreneringskatodecelle som har partielle barrierer som begrenser badstrømningshastigheten. Figur 8 viser et utkast til en celle som har to motstående

skrånende katoder.

Figur 9(a) viser stigningen i en hydraulisk analog modell,

sett fra siden, benyttet til å simulere gassutviklingen i en skrånende katodecelle.

Figur 9(b) viser normal badstrømning i ACD.

Figur 9(c) viser et område med reversert badstrøm i ACD,

i nærheten av avtappingen av aluminiummetall.

Figur 9(d) viser et område med turbulent og avbrutt badstrøm,

hvor det ikke finner sted noen nettostrømning av badmaterialet gjennom ACD.

Figur 10 viser en grafisk fremstilling av badstrøm som funksjon av katodehelning i cellesimuleringsmodellen under betingelser med stor strømningsmotstand. Figur 11 viser en grafisk fremstilling av badstrøm som funksjon av katodehelning i cellesimuleringsmodellen under betingelser med midlere strømningsmotstand. Figur 12 viser en grafisk fremstilling av badstrøm som funksjon av katodehelning i cellesimuleringsmodellen under betingelser med lav strømningsmotstand. Figur 13 er et eksempel på et pumpeeffektivitet-strømnings-motstandsdiagram for en drenert katodecelle.

Figur 14 viser grafisk strømningsmotstand i returkanalen

som funksjon av katodehelning.

Figur 15 utgjør et parameterdiagram for celledesign.

Figur 16 er et tverrsnitt av en forsøkselektrolysecelle

med skrånende katode.

Figur 17 er en grafisk fremstilling av driftsstabiliteten

oppnådd i tre forsøksceller.

Figur 18 viser sammenhengen mellom anode-katode-polarisa-sjonen og katodehelningen ved to strømtettheter.

Den foreliggende oppfinnelse består i anvendelse av en skrånende, dreneringskatode, som har en overflate av titandiborid eller et lignende hardt ildfast materiale, hvor skråningen eller avviket fra horisontalplanet velges slik at den bidrar til en kontrollert bevegelse av badet, hvor badbevegelsen er hydrodynamisk avhengig av spesifikke identi-fiserte kritiske parametrer. Badbevegelsen kontrolleres

slik at den medfører at tilstrekkelig aluminiumoksyd-rikt bad strømmer inn i mellomrommet mellom elektrodene i rommet like under anodeoverflaten, slik at anodeeffekter unngås, samtidig som avtappingen av aluminium ikke påvirkes. Det er således mulig å overvinne problemene med aluminiumoksyd-tilf ørsel, som f.eks. smussdannelse som skyldes overdreven tilsats til badet, vedvarende anodeeffekter som skyldes utilstrekkelig tilsats, og at det dannes fremspringende kanter, som påvirker badsirkulasjonen, som finner sted ved svært lave verdier av anode-katode-avstanden (ACD), muliggjort ved utviklingen av katoder med overflater av hardt ildfast materiale som benyttes uten den konvensjonelle metallputen.

Om man skal lykkes med en lavenergi-aluminiumsreduksjonscelle med dreneringskatode avhenger av to kritiske komponenter: 1) et varig RHM-katodemateriale, og 2) muligheten for å kontrollere og optimalisere badstrømmen gjennom det trange anode-katode-gapet (ACD). Pågående forsøk i produksjonsceller tyder på at det er utviklet et material som tilfredsstiller det første kravet.

Studier hvor man har benyttet en vannmodell for å simulere

de hydrodynamiske betingelser i ACD i en skrånende katodecelle, har nå gitt kriterier for celledesign som er nødvendige for at det andre kravet skal oppfylles. Resultater fra

vannmodellen er blitt verifisert i en elektrolysecelle i laboratoriestørrelse. Et antall celleutførelser, som f.eks. i forsøkene med Kaiser-DOE-skrånende TiB2~katode rapportert under kontrakt DE-AC03-76CS40215, og benyttet i andre publiserte rapporter og patenter, faller utenfor foreliggende designkrav, og unnlater å ta opp avgjørende hydrodynamiske spørsmål, som man nå først ser omfanget av. Disse designkriterier innbefatter skråningen på katodeoverflaten, ACD-avstanden, strømningsmotstanden for badstrømmen på tilbakeveien, og anodestrømtetthet. Bare de to første av disse kriteriene er blitt vurdert i tidligere design, rapporter og patenter, mens de to siste kriteriene, og deres betydning, slås fast for første gang her.

Det er rotfestet i aluminiumelektrolysen at anodeflaten

under elektrolysen stilles slik at den er tilnærmet parallell med katoden. En skrånende katode forårsaker at anoden får en tilsvarende helning. Som kjent foregår det en rikelig gassutvikling på anodeflaten på grunn av elektrolyseprosessen.

Det er også velkjent for aluminiumsreduksjonsceller av konvensjonell utførelse, med horisontale anode-og katodeflater, at gass som utvikles på anodeflaten går skrått (lateralt)

ut under anodeflaten fra sentrum av cellen til det nærmeste vertikale luftehull, hvor luftehullene generelt innbefatter de vertikale sideflatene av anoden. En skrånende anode kan enten lette eller hindre denne gassbevegelsen, avhengig av retningen på og størrelsen av helningen. En velegnet katode-, og derfor anode-, helning kan følgelig forårsake at anodegassen beveger seg i en ønsket retning. Videre vil disse anodegassene drive badet nær anodeoverflaten i den samme ønskede retning, ved en velkjent virkning som også utnyttes i utførelsen av gassluftere og gasstrålepumper, så vel som boblekolonner. Denne driften kan suppleres og økes (om nødvendig) ved annen pumpevirkning, f.eks.

ved hjelp av en pumpe av egnet utforming.

Det er velkjent innen hydrodynamikken at strømningen i

et flytende system oppstår ved en balanse mellom driften av væsken og strømningsmotstanden innenfor delene i systemet, og at, avhengig av konfigurasjonen, hastigheten innen lokale områder av strømmen kan være i samme retning som, i noen tilfeller motsatt rettet, retningen av væskedriften. Det er et prinsipp ved foreliggende oppfinnelse at helningen, eller helningene, arrangeres slik at det oppnås balanse mellom de kreftene som driver oppdriftsboblene fra helningen og de kreftene som driver boblene sideveis under horisontale anoder på den ene siden, og strømningsmotstanden på den andre siden, slik at det oppstår en nettobevegelse i badet som gir den aluminiumoksydtilførsel som kreves. Den lokale hastigheten i badet nær anodeoverflaten er i ønsket retning, dvs. i den retning som de drivende gassboblene beveger seg. Som tidligere er konfigurasjonen plassert slik at den tilveiebringer badhastigheter nær katodeoverflaten i samme retning som nær anoden, ikke så stor hastighet at det forstyrrer avtappingen av aluminium på katoden,

hvor aluminiumavtappingen skjer i motsatt retning til strømmen av gassbobler som driver badet. Med kilden for aluminiumoksyd-rikt bad plassert på en spesiell side av cellen, oppnås en badstrøm inn i rommet umiddelbart under anodeoverflaten når denne siden av anoden er lav og flaten skråner oppover fra denne siden. Skråningen må være tilstrekkelig stor til å overvinne, og reversere, den strøm av gass som ellers ville gå mot denne anodekanten fra de indre delene av anoden. Den nøyaktige konfigurasjon og valget av helningene kan varieres ved plasseringen av kilden for det aluminiumoksyd-rike badet. Denne kan være på en side, på begge sider, eller i sentrum av cellen, avhengig av størrelsen på cellen og den type anode som benyttes (forbrente eller Søderberg).

Man kan forestille seg alternative utførelser av oppfinnelsen hvor katode- (og derfor anode-) helningen er uniform over bredden av cellen, eller hvor helningen er variabel, i varierende former. Disse kan f.eks. innbefatte ulike,

men konstante helninger i samme retning i de to halvdelene av et tverrgående snitt gjennom cellen, og også like men

motsatte helninger i disse to halvdelene (f.eks. en dobbeltskrånende, omvendt V-konfigurasjon). Konseptet i denne oppfinnelsen kan anvendes for celler som har både forbrente og/eller Søderberg-anoder. Mens f.eks. den omvendte V-konfigurasjonen kan være mest velegnet for celler hvor bredden er dekket av to forbrente anodeblokker, kan en slik konfigurasjon også anvendes med en Søderberg-anode i form av en vertikal bolt med luftehull i senteret. Ved en omvendt V-konfigurasjon kan tilførselen til cellen skje fra begge sider, mens en V-konfigurasjon er mest velegnet for tilførsel i senteret. Tilsvarende kan en utførelse med helning bare i en retning (konstant eller variabel) foretrekkes anvendt, men oppfinnelsen er ikke begrenset til en enkel, monolittisk, uluftet Søderberg-anode hvor tilførselen skjer fra en side.

Valg av katodehelning for en spesiell anvendelse må gjøres kompatibelt med andre viktige parametrer slik at de ønskede hydrodynamiske karakteristika oppnås. Disse parametrene er ACD-gapet, anodestrømtettheten, (strøm og anodeoverflate-dimensjoner), og returmotstanden for badet (dvs. badretur-kanalen eller passasjelengden, dypden, bredden og vegg-materialet). Den kontrollerte badstrømmen sikrer en tilstrekkelig tilførsel av aluminiumoksyd-rik elektrolytt til anodeflaten slik at store anodeeffekter unngås. Videre fordeler er at overdreven gassakkumulering i ACD unngås, reduksjon av anode- og katodeoverspenningen, og at strømmen av aluminiumproduktet forstyrres i minimal grad.

Figur 1 viser en Søderberg-reduksjonscelle med vertikal bolt og sideinntak, sett fra enden, som benytter en katode utført i form av en omvendt V med sentralt gassutslipp,

og samleskinne. Katodeoverflaten, 6, skrånes oppover fra cellesidene mot sentrum av anoden, 1, hvor anodegassen slippes ut igjennom gasshullet, 2, til et samlesystem (ikke vist). Samleskinnene, 4, er vist tilnærmet parallelle med katodeoverflaten, 6, og er trukket tilbake for å la aluminium passere til samlebrønnen 5.

Vinkelen katodeoverflaten 6 danner med horisontalplanet

bør være stor nok til å foranledige den ønskede badstrøm, men ikke så stor at den forårsaker betydelig deformasjon av boblene, eller badturbulens i anode-katode-mellomrommet, 7, eller andre begrensninger som beskrives nedenfor. Det er f.eks. observert at helningsvinkelen har en uttalt,

og tidligere ubeskrevet, virkning på boblekonfigurasjonen og bevegelsen. Når anodeoverflaten står skrått i forhold til horisontalplanet, viser boblene større tendens til en langstrakt oval form, hvor den lange aksen står loddrett på bevegelsesretningen for boblene oppover:anodeskråningen. Forkanten av boblene danner en kam, eller øket tykkelse,

når den relative hastigheten mellom boblene og væsken øker. Den fortykkede fremkanten kan gi mindre drivende kraft

for boblefremdriften over et visst område av helninqs-vinkler, på grunn av øket motstand som skyldes forskyvninger og friksjon på grenseflaten. Det er observert at store bobler på anodeoverflaten utsettes for betydelig distorsjon og motstand ved en anodehelning på ca. 15° fra horisontalplanet. Egnede helningsvinkler er funnet å ligge i området fra 2 til 15°, selv om noe større eller mindre vinkler kan være brukbare for gitte cellebetingelser. En foretrukket helning er fra 5° til 10° fra horisontalplanet, en mer foretrukket helning er fra C til 8°. Den mest foretrukne katodehelning er funnet å være ca. 8°.

Katodeoverflaten, 6, kan være dekket med et elektrisk ledende materiale som fuktes av aluminium, som f.eks. TiB,,, for å lette dannelsen av en tynn film av aluminium (eller alumi-niumlegering) på katodeoverflaten. Mens overflater som inneholder titandiborid er foretrukket, har man overveiet bruk av andre harde, ildfaste materialer (RHM) som fuktes av aluminium, som f.eks. titankarbid,£irkoniumkarbid, zirkoniumdiborid eller blandinger av disse.

Aluminium renner fra den skrånende overflaten av katoden

inn i en samle-avløpsbrønn som ligger på siden i cellen,

5, derved minimaliseres sannsynligheten for tilbakereaksjon som ville nedsatt strømvirkningsgraden, og avtappingsprose-

dyrene blir raskere, og uavhengige av andre celleoperasjoner. Denne tynne film av rennende aluminium er ufølsom overfor induserte magnetfelt, dette er en stor forbedring sammenlignet med de tidligere konvensjonelle putene av smeltet aluminium. Videre vil den kontrollerte badbevegelsen,

som beskrevet ovenfor, ikke hemme avtappingen.

Gassboblene, 8, som beveger seg langs den nedre skrånende kant av anoden, luftes etter behov, slik at boblene ikke blir overdrevent store, dvs. slik at de ikke dekker en betydelig del av anodeflaten, eller får svært stor utstrekning i mellomrommet mellom anode og katode. Overlufting bør imidlertid unngås, slik at den drivende kraft for badstrømmen ikke nedsettes betydelig i det trange området mellom anode og katode. Utlufting kan gjøres gjennom en spalte eller spalter eller gjennom ventilasjonsrør, kanaler, hull, etc.,

i anoden. Utluftingshull kan lages ved å sette rør gjennom elektrodemassen eller den plastiske sone i en Søderberg-anode, eller bakes inn i en forbrent karbonanode. Det bør bemerkes at en ikke-uniform fordeling av luftehullene i anoden, vil gi en ny fordeling av badstrømmen i cellen,

for å kompensere for ikke-uniformiteten i badstrømmen.

Aluminiumoksyd kan tilsettes badet gjennom trakten 19,

for å etterfylle det utarmede badet. Andre bestanddeler av badet kan naturligvis tilsettes samtidig. Pilen, 10, indikerer strømmen av aluminiumoksyd-rikt bad gjennom det smale området mellom anode og katode, 7, drevet av gassboblene 8, mens pilen 13 indikerer strømmen av aluminiummetall,

som en tynn film, til avtappingsbrønnen 5.

Figur 2 viser en aluminiumreduksjonscelle som benytter en enkelt skrånende katode, sett fra enden. Den enkeltskrånende katodeoverflaten, 6, gjør det mulig å bruke en rett samleskinne, 4, som gjør det mulig å opprettholde konstant avstand mellom den øvre katodeoverflaten og samleskinnen. Selv om det er visse fordeler i form av spennings-reduksjon hvis samleskinnene strekker seg ut fra begge sider av cellen, 22, er dette ikke nødvendig dersom den dypere avløpsbrønn for aluminium, 5, er mer fordelaktig. Konfigurasjonen av denne cellen gjør det mulig å benytte

mer eller mindre konvensjonelle konstruksjons- og installa-sjonsmetoder for plassering av samleskinnen. Helningen av katodeoverflaten, 6, må være tilstrekkelig til effektivt å bevege gassboblene opp langs anodeflaten, og til å la aluminium renne ned langs katodeflaten. Som vist kan over-skudd av anodegassbobler, 8, som ellers kunne forårsake stor distorsjon av metallfilmen som flyter nedover katode-fiaten, utluftes igjennom luftehullet i anoden, 2, til et gassoppsamlingssystem 3. Ved å benytte et mekanisk dekke over badet, 18, sikres fullstendig kontroll over bad-atmosfæren, og avdampingen til atmosfæren reduseres. Aluminiumoksyd tilsettes badet i mellomrommet mellom elektrodene, 21, ved hjelp av trakten 19. En automatisk kontroll, 20, kan benyttes for å oppnå eksakt riktig etterfylling. Tilsats av aluminiumoksyd, og andre bad-bestanddeler, på denne måte har flere fordeler. Etter at det forlater elektrolysesonen er badet for det første delvis utarmet på oppløst aluminiumoksyd, og gir dermed ideelle betingelser for rask oppløsning av aluminiumoksyd. Hvis noe aluminiumoksyd setter seg på bunnen av sidereservoaret, 24, vil det faktum at det ikke finnes noen metallpute eller brønn som kan dekke aluminiumoksydet gjøre det lettere å få det løst i det strømmende badet. Videre tilveiebringer returveien for badet ekstra tid til oppløsning og virker som en felle for uoppløst aluminiumoksyd for å sikre at bare et uforurenset bad sirkulerer inne i ACD-gapet. Mens tilsats av aluminiumoksyd på den side av cellen hvor metall-avløpsbrønnen er plassert, 5, kunne resultere i dannelse av forurensninger under metallet i brønnen, og derved forårsake oversvømmelse og mulighet for direkte kortslutning ved metallet mellom anode og katode, unngås dette med den foreliggende løsning.

Figur 3 viser en gjennomstrømnings-aluminiumreduksjonscelle med enkeltskrånende katode sett fra enden. Katodevinkelen er som vist tilstrekkelig til effektivt å bevege anodegassboblene, 8, opp langs anodeflaten, 1, og til å la aluminiumet renne ned katodeoverflaten, 6, til aluminiumavløpsbrønnen,

5, som vist med pil 13. Luftehullene, 2, som kan være påkrevet, er vist i anoden, og kan være en spalte eller et mønster av luftehull. Selve anoden kan være av Søderberg-eller forbrent karbontype. Avløpsbrønnen for aluminium,

5, fører fortrinnsvis til et kontinuerlig tappesystem,

som gir minst mulig forstyrrelser i cellen, som f.eks. variasjoner i putetykkelse. Luftehullene, 2, og tomme hulrom i badet, kan med fordel forbindes med et gassoppsamlingssystem, 3. I gjennomstrømningscellen, etterfylles elektrolyse-badet som vist utenfra, og strømmer gjennom badinnløpet 9, den veien som er vist ved pilene 10, gjennom anode-katode-rommet 7, til badutløpet 11, ved dette punktet er elektrolytten blitt delvis utarmet på aluminiumoksyd ved elektrolysen.

I figur 4 vises en dobbeltskrånende dreneringskatode, eller V-formet katode. I denne konfigurasjonen besørges etterfyllingen av punkt-materne 27, som befinner seg ved den høyeste enden av katodeskråningen, selv om etterfyllingen også kan finne sted mellom de forbrente anodene, 1. Strømmen av aluminiummetall, 13, er nedover katodeoverflaten 6 til avløpsbrønnen 5, som med fordel kan være forbundet med et kontinuerlig avtappingssystem. Anodegassboblene 8 bevirker en strøm av badmateriale 10 langs den nedre overflate av anodene.

Figur 5 viser en skisse av en enkelt-celle, som innbefatter påfyllings- og blandingssoner. I figur 5 er anoden 1 utstyrt med en spalte for gassavluftning, 2. Katodeoverflaten,

6, er vist med aluminiumavløpsbrønnen, 5, som mater et kontinuerlig avtappingssystem, 14. Retningen for nettostrømmen av aluminiummetall er vist ved pil 13, mens retningen for nettostrømmen av kryolitten i badet er vist ved pilene 10. Etter passasje mellom anoden 1 og katodeoverflaten,

6, strømmer det delvis utarmede badet fra utløpet 11 til et tilførsels- og blandingsområde eller -sone, 16, hvor aluminiumoksyd etterfylles, 12. Etter etterfylling av aluminiumoksyd, resirkuleres kryolittbadet i elektrolysecellen i den retning som vises ved pilene 10. Tegningen viser bruk av en valgfri magnetpumpe for badsirkulering, 17, plassert nær innløpet 9, selv om en slik pumpe ikke betraktes

som nødvendig under de fleste betingelser. En barriere,

15, kan plasseres i returkanalen, 28, for å hindre tilbake-strømning og brudd i sirkulasjonen i utførelser som innbefatter en tilførsels- og blandingssone (16).

Figur 6 viser en skisse av et fler-cellesystem, som består av fire individuelle elektrolyseceller som drives i tandem. Systemet som vises innbefatter et kontinuerlig aluminium-avtappingssystem, 14, som tilveiebringer et konstant aluminiumnivå, og følgelig en mer stabil varmebalanse og et mer stabilt badnivå. Konvensjonell diskontinuerlig metallavtap-ping kunne vært benyttet, men man måtte da gjort forholds-regler for å kompensere for de resulterende forandringer i badnivået. Dette ville gjøre det nødvendig å innbefatte et svinge-kammer for badet, et lavere nivå i aluminiumtilførsels/blan-dingstanken, og en innretning for å regulere varmebalansen. Som vist i figur 5 tilsettes aluminiumoksyd og andre bad-bestanddeler, 12, til en tilførsels- og blandingssone,

16, og sirkuleres gjennom anode-katode-gapet i den retning som vises ved pilene 10. Bruk av en magnetisk sirkulasjons-pumpe, 17, er valgfritt. Det dannede aluminium renner inn i aluminiumavløpsbrønnene, 5, og passerer i den retning som vises ved pilene 13 til det kontinuerlige metallavtappings-systemet 14. Tilbakestrømning av det utarmede badet forhindres ved barrierene 15.

Et system for tilførsel og oppløsning av aluminiumoksyd

kan lett inkorporeres i enten et enkeltcellesystem eller et mer økonomisk flercellesystem. Et trekk ved det foreliggende systemet som gjør det mulig å drive det under en kontrollert atmosfære, er en forseglet celletopp, derved reduseres materialproblemene i reaktoren, problemer med å kontrollere avtappingen, og varmetapene, selv om en forseglet topp ikke er påkrevet. Hvis denne utformingen utstyres med anodeoverflater som ikke tæres bort, er resultatet en komplett, tilsynsfri, flercelleenhet i et enkelt kar.

Figur 7 viser en aluminiumsreduksjonscelle, som benytter en enkeltskrånende katode. Figuren viser et kontinuerlig avtappingssystem for aluminium 14, som fjerner aluminium fra cellen via avløpsbrønnen 5. Dette tilveiebringer et konstant aluminiumnivå i cellen og resulterer også i en mer stabil varmebalanse og et mer stabilt badnivå i cellen.

En regulerbar partiell barriere, 25, benyttes om nødvendig for å begrense sirkulasjonshastigheten for badet i cellen i returkanalen 28. Den ønskede begrensning kan oppnås ved hjelp av barriereplater, bestående av en ikke-korroderende isolator, som f.eks. silisiumnitrid. Nødvendige anordninger for påfylling er ikke vist, men kan være av en hvilken som helst egnet type som diskutert tidligere.

Som tidligere antydet kan en dobbeltskrånende katodecelle alternativt anvendes innen omfanget av den foreliggende oppfinnelse, som f.eks. har en omvendt V-konfigurasjon,

som vist i figur 1, eller en V-form, som vist i figur 4,

hvor det metalliske aluminium ville strømme nedover til metallavløpsbrønnen. Den enkeltskrånende katode, som skråner oppover mot den siden av cellen hvor aluminiumoksyd tilføres, som vist i figur 2, kan imidlertid betraktes som en foretrukket utførelse, siden denne utførelsen gjør rengjøring og annet vedlikehold av karet i cellen mye enklere, samtidig som selve cellekonstruksjonen forenkles.

Figur 8 viser et plansnitt gjennom en aluminiumsreduksjonscelle som benytter dobbelte enkeltskrånende katoder, dette illustrerer en annen alternativ utførelse av den foreliggende oppfinnelse. Strømmen av elektrolytt illustreres ved pilene 10, som indikerer en sirkulasjon mellom anoden 1, og katodeoverflaten, 6, gjennom en sone hvor etterfylling, 12, finner sted og gjennom ACD for nabo-anode-katodepar, som skrår i motsatt retning. Senterlinjen i cellen, 26, kan hensiktsmessig være avgrensningslinje for de to motsatt skrådde katodene. For å sikre jevn og kontinuerlig sirkulering,

er barrierene 15 og de partielle barrierene 25 tilstede for henholdsvis å forhindre tilbakestrømning av badet,

og for å kontrollere sirkulasjonshastigheten for badstrøm-men. Alle andre elementer på tegningen er som diskutert tidligere. Det bør bemerkes at denne konfigurasjonen representerer et alternativ til den tidligere foreslåtte V-formen

og omvendte V-formen, og kan hensiktsmessig benyttes med forbrente anoder heller enn Søderberg-anoder. Nok en utforming, som er spesielt egnet for forbrente anoder, har helningsvinklene for nabokatoder (og anodeoverflater) i samme retning, men vinklene har forskjellig størrelse.

Det bør bemerkes at selv om figurene ikke viser nærvær

av sidekarmer og/eller skorper av frosset badmateriale,

så kan den foreliggende oppfinnelse også anvendes på celler som innbefatter slike.

Pumpevirkningen av gassboblene, rettet oppover under en

svak skrånende overflate, hvor væsken befinner seg i et tynt lag mellom den øvre overflaten og en parallell lavere, blir først demonstrert i et analogt hydraulisk forsøk. Forsøket ble utført i vann ved romtemperatur, hvis kinematiske viskositet er tilnærmet lik den for smeltet kryolitt.

Med en overflatehelning på 2,5°, og en avstand mellom øvre

og nedre overflate på 2,2 cm, ble det generert bobler på

en porøs øvre overflate ved hjelp av luft med overtrykk,

med en gassutviklingshastighet tilpasset den i en typisk høystrøms aluminiumelektrolysecelle, dette ga netto eller gjennomsnittlige væskehastigheter i mellomrommet mellom den simulerte anode og den simulerte katode i området 5-10 cm pr. sek. Det ble beregnet at disse hastighetene var mer enn tilstrekkelige til å levere aluminiumoksyd i den hastighet som kreves for god drift av cellen ved normale aluminiumoksydkonsentrasjoner i kryolitten. Mens overflatehelningen i dette forsøket ikke måtte overvinne de motsatt rettede boblekreftene, som f.eks. skyldes magne-tiske effekter, som ville være tilstede i en aluminium-elektrolysecelle med en horisontale anode, ble ikke desto mindre prinsippet for gassdrevet badsirkulering klart demonstrert.

Det ble funnet at den resulterende badsirkuleringen var kontrollert av balansen mellom boblenes pumpeeffekt i ACD-gapet og tilbaketrykket, eller strømningsmotstanden, mot badsirkulering gjennom returkanalene. Ytterligere resultater cg data ble oppnådd i en aluminiumelektrolysecelle og en hydraulisk analog modell i målestokk 1:20.

Den hydraulisk analoge modell ble konstruert for å simulere en gassutviklende anodeoverflate (ca. 1,11 m2 ) plassert over en skrånende fast katodeoverflate. Denne utførelsen simulerte en aluminiumsreduksjonscelle med typisk "dreneringskatode" hvor arbeidsanoden er plassert over en skrånende, drenerings-Til^-katodeoverflate. Studiene av vannmodellen ble foretatt med vann av romtemperatur. Strømningsmønstrene og hastighetene som ble observert i vannmodellen lignet de man ville vente seg i en full-skala-celle, siden de observerte strømninger hadde Reynolds-tall i det turbulente området

(<>> 5000). I dette området er strømningen hovedsakelig kontrollert av de fysiske dimensjoner av strømningskanalene og ikke av væskeegenskapene (f.eks. viskositeten). Et trykkluftkammer med en bunn bestående av porøse Alundum-plater (porediameter ca. 20 (im) ble benyttet til å simulere en arbeidende anode som utvikler gass (f.eks. CO^). En gasshastighet på 0,1778 cm/sek. gjennom den porøse anodeplaten ble benyttet for å simulere en anodestrømtetthet på 0,68 A/cm<2> (gasshastigheten ble korrigert for forskjeller i temperatur og hydrostatisk trykk). Simulerte strømmer opptil ca. 1,4 A/cm<2> ble testet i denne modellen.

Utførelsen av modellen, sett fra siden i figur 9(a), simulerte halvdelen av cellen vist i figur 1. Sett ovenfra, simulerte modellen cellen som er vist i figur 7. Endeveggen ved den "øvre" enden av katoden tilsvarte et vertikalplan som gikk gjennom senterspalten eller luftehullet, 2. Figuren viser forbindelsen mellom slike parametrer som f.eks. ACD, BFL, <t>, h, hg, bredde av den nedre kanalen, og bredde av

den øvre kanalen (definert nedenfor) og anoden (1), katodeoverflaten (6) og badet (29).

Følgende definisjoner benyttes for å beskrive parametrene

i vannmodellen og i aluminiumsreduksjonsceller i full stør-relse, relativt til den ønskede boblestrømmen oppover under den skrånende anodeflaten: BFL - dimensjonene av anodeflaten i boblestrømmens retning

(BLF er lik 122 cm i de fleste forsøk)

BFW - anodeflatens dimensjon i retning loddrett på boblestrøm-mens retning (BFW er lik 61 cm i de fleste modell-tester)

ACD - den loddrette avstanden mellom de skrånende anode-

og katodeoverflater, tilsvarende 7 i figur 2 (ACD

ble variert fra 1 til 5 cm i modellforsøkene) Katodehelning - vinkelen mellom den skrånende katodeoverflate og horisontalplanet (katodehelningen ble variert

fra 0 til 15° i modellforsøkene)

h - den vertikale neddykkingsdypden for anoden fra væske-overflaten til nedre anodeflate (h varierer langs

BFL-dimensjonen for anoden avhengig av katodehelningen) hg - den minimale vertikale neddykkingsdypde for anoden,

dvs. anodeneddykkingsdypden ved den høyeste enden av katoden (h^ er lik 10 cm i de fleste modellforsøk)

Den ønskede badstrøm passerer typisk gjennom fire forskjellige typer kanaler eller passasjer, disse er: 1) ACD- gapet mellom anode og katode, hvor introduksjon og strømning av anodegass genererer den kraft som trengs for å opprettholde den ønskede badsirkulasjon

i cellen.

2) Badstrømmen forlater ACD-gapet og strømmer inn i øvre kanal, dette tilsvarer reservoar 24 i figur 2, hvor strømmen rettes enten mot den ene eller mot begge sidene av anoden. Det meste av anodegassen drives ut av badet i denne kanalen, slik at det tilveiebringes en turbulensvirkning i badet, hvilket er ideelt for oppløsning av det tilførte aluminiumoksyd. Denne kanalen kan være langs siden av cellen som

vist i figurene 2 og 7, eller i sentrum av cellen som vist i figur 1. Dimensjonene av den øvre kanalen er definert som: dypde = dypde av badet i kanalen (hQ + den vertikale komponent av ACD i vannmodellen, som ved

lave vinkler er tilnærmet lik ACD)

bredde = den horisontale dimensjon i samme retning

som strømmen av bobler i ACD-gapet

lengde = den horisontale dimensjon over anodens BFW

pluss bredden av returkanalen

3) Returkanalen eller.- kanalene transporterer badet fra den øvre kanalen til en korresponderende nedre kanal som befinner seg langs anodekanten hvor badet går inn i ACD-gapet. Eksemplet på returkanaler er merket med nr. 28 i figurene 5-7. I den enkleste formen, og i den modellen som benyttes her, er returkanalen som vist i figur 7, hvor returkanalens dypde og bredde kan varieres slik at det oppstår en variabel strømnings-motstand (tilsvarende den som fremskaffes ved den partielle barrieren 25). I vannmodellen og celler med en tilsvarende utforming, er returkanalens dimensjoner definert som: dypde dypden av badet i kanalen (hvis bredden av kanalen er liten og en arbeidsanode utgjør en eller begge sider av kanalen, er den effektive kanaldypde den virkelige dypde minus ACD, siden strømmen oppover i nabo-ACD-gapet vil få et lag av tilsvarende tykkelse i bunnen av returkanalen til å stagnere. Denne reduserte returkanaldypden ble benyttet i studiene av vannmodellen). På grunn av den skrånende katoden, vil dypden av returkanalen øke når badet strømmer fra den øvre kanalen til den nedre kanalen.

bredde = den horisontale bredde av kanalen loddrett

på strømningsretningene i kanalen.

lengde =den horisontale avstanden mellom øvre og nedre kanal (i vannmodellen er dette tilnærmet

lik BFL).

4) Den nedre kanalen fullstendiggjør sirkulasjonssløyfen for badet ved å transportere badet fra returkanalen eller -kanalene og fordele badet langs anodekanten hvor badet går inn i ACD-gapet. Dimensjonene for denne kanalen er definert tilsvarende som for den

øvre kanalen. I de fleste celleutførelser og i vannmodellen, har den nedre kanalen en brønn, eller et trau, i bunnen for å samle opp aluminiummetall når det renner ned den skrånende katoden. En slik brønn er vist i figurene 1 og 9(a).

I alle tilfeller er badstrømhastigheten, Q, for modellen

og cellene i full målestokk definert som den totale volumetri-ske hastighet for badstrømmen som går inn i ACD-gapet fra den nedre kanalen.

For å simulere en virkelig elektrolysecelle og å vurdere effekten av å forandre visse spesifikke dimensjoner eller driftsbetingelser, kunne vannmodellen forandres på forskjellige måter. Modellen var laget slik at det var mulig å simulere regulerbare partielle barrierer (nr. 25 i figur 7). Helningen på katoden og anoden i modellen ble variert fra 0" til 15° for å. bestemme virkningen av katodehelning på badstrøm i ACD-gapet. ACD-gapet ble i vannmodellen variert fra 1 til 5 cm. Gasstrømmen kunne varieres for å simulere forskjellige strømtettheter. Væskestrømmen i modellen ble observert og målt, ved å bruke innsprøyting av fargestoff i ACD-gapet og i returkanalen.

Anodens utforming etter den underliggende skrånende katoden har vært demonstrert i både laboratorieelektrolyseceller og i rapporter fra Kaiser Aluminum and Chemical Corporation til Energidepartementet (endelig rapport på DOE kontrakt nr. EY-76-C-03-1257, "Energy Savings Through the Use of an Improved Aluminum Reduction Cell Cathode", 30. november 1977).

Figur 9(b) viser den ønskede strøm av gassbobler, 8, og retningen av badstrømmen, 10, i ACD. Fra denne figuren ser man at en for stor hastighet av badet ved katodeoverflaten, i samme retning som ved anodeoverflaten, kan hemme avtappingen av metall fra katoden. Studier av vannmodellen har vist at under visse utførelsesbetingelser kan tre forskjellige uønskede fenomener oppstå i ACD; disse er: Reversert strøm fant sted når badet som strømmet oppover langs bunnen av anoden reverserte strømningsretning og strømmer nedover langs katodeoverflaten som vist i figur 9(c). Ved alvorlige tilfeller av reversert strøm, som vist i figur 9(d), danner badet tallrike små strømvirvler i ACD og det er ingen, eller svært liten, tilførsel av friskt bad til ACD. Vedvarende anodeeffekter kan oppstå på grunn av utilstrekkelig tilførsel av friskt bad i en virkelig elektrolysecelle. Luftblokkering fant sted når fjerningen av anodegassen var for langsom og ACD ble mettet med store stillestående gassbobler. Under slike betingelser oppstår en utilstrekkelig badstrøm. I en celle som drives under slike betingelser, kan gassboblene avbryte den lokale elektrolysereaksjonen, øke anodestrømtettheten i de påvirkede områder av anoden, og eventuelt føre til økede spenningstap på grunn av anodepolarisasjon, som igjen kan føre til at anodeeffekter trer i kraft.

Overdreven bobletykkelse fant sted under visse betingelser, og boblene strakk seg gjennom badet og kom i kontakt med katodeoverflaten. Hvis dette finner sted i en celle i drift, vil det føre til raskt tap av strømvirkningsgrad på grunn av den raske tilbakereaksjonen mellom C02~boblene og det smeltede aluminiummetallet på overflaten av katoden.

Fenomenene nevnt ovenfor og nettobadstrøm i ACD-gapet og

strømmen i returkanalene ble studert som en funksjon av katodehelningen, ACD, strømningsmotstanden i returkanalen, og simulert anodestrømtetthet. Mens alle de observerte strømningsegenskapene er i samsvar med og kontrollert av de generelle hydrodynamiske prinsipper som er beskrevet tidligere, har en kvantitativ fremstilling av disse hittil ikke vært ført frem.

Følgende generelle cellespesifikasjoner ble benyttet i vannmodellen og etterfølgende eksempler for å illustrere den typiske anvendelse av denne oppfinnelse ved utforming av forbedrede aluminiumsreduksjonsceller med redusert energiforbruk. I praksis bør disse generelle cellespesifikasjonene velges slik at de passer til en viss anvendelse og deretter bør foreliggende oppfinnelse benyttes til å fremskaffe spesifikasjoner for kritiske celledeler. Varmebalanse og lønnsomhetsberegninger har vært utført, og disse tyder på at "dreneringskatode"-celler fortrinnsvis bør drives ved høyere anodestrømtettheter enn de som typisk anvendes i industrien idag. De utførelsesparametrer som ble brukt i vannmodellunder-søkelsene er tatt med i tall 1 for sammenligning med virkelige celler. Den generelle celleutførelse som betraktes er den som er vist i figur 1, med returkanaler som forbinder den øvre kanalen i senteret med de to ytre lavere kanalene på hver side av den delte VSS-anode (hver halvdel av cellen tilsvarer den vist i figur 7).

Figurene 10, 11 og 12 illustrerer den virkning katodehelningen, ACD og strømningsmotstanden i returkanalen, R^, har på nettobadstrøm i ACD-gapet ved en simulert anodestrøm-tetthet på 0,68 A/cm2 . I disse figurene er observert reversert strøm på katodeoverflaten antydet med prikkede linjer.

I alle tilfeller er dette forbundet med betydelig redusert nettobadstrøm, og blir mer alvorlig når katodehelningen reduseres.

Tilsvarende resultater er oppnådd for andre simulerte strøm-tettheter. Et diagram som viser grensene for valg av parametrer, konstruert fra disse data, er vist i figur 15.

En detaljert beskrivelse om bruken av slike diagram til utforming av celler som har kontrollert badstrøm er gitt i de etterfølgende eksempler.

De generelle trekkene ved diagrammet er som følger. Strøm-ningsmotstanden er forbundet med bredden på returkanalen for gitte driftsbetingelser. For hver returkanalbredde fører en grafisk fremstilling av data fra figurer tilsvarende figurene 10, 11 og 12, ved konstant strømningshastighet,

til en relasjon mellom katodehelning og ACD som må være oppfylt for en gitt anodestrømtetthet for at man skal oppnå en tilstrekkelig strømningshastighet i cellen, beregnet ved metoder som defineres nedenfor. Denne relasjonen mellom katodehelning og ACD er representert ved de krumme linjene i figur 15. For hver returkanalbredde representerer derfor disse linjene en betingelse som vil gi en tilstrekkelig tilførsel av aluminiumoksyd. Disse linjene begrenses av

grensebetingelser som defineres ved uønskede hydrodynamiske betingelser som beskrevet tidligere. Et område som er forbudt fordi det gir overdreven bobletykkelse begrenser driftsområdet ved små ACD-størrelser, dvs. til venstre i parameterdiagrammet (figur 15). Overdreven anode- (og katode-)helning, som gir stor neddykkingsdypde for anoden, utgjør en øvre grense ved en helning på ca. 15°. Et foretrukket driftsområde er vist i figur 15, det ligger litt over den angjeldende kurve for en valgt returkanalbredde, slik at ACD blir minst mulig og samtidig kompatibel med området merket "bobletykkelsebegrenset". Drift innen dette området sikrer samtidig en tilstrekkelig tilførsel av aluminiumoksyd, gjennom en tilstrekkelig stor Q-verdi, og forhindrer for stor badhastighet ved katodeoverflaten (og derved at aluminiumavtappingen hindres), så vel som overdreven bobletykkelse og tilhørende tap i strømvirkningsgrad. Følgende eksempler illustrerer konstruksjon og bruk av et slikt parameterdiagram.

Eksempel 1 - Valg av størrelser på returkanaler Badstrømhastigheten, Q, (cm<3>/sek.) må være tilstrekkelig

til at det tilføres nok aluminiumoksyd til å opprettholde elektrolysereaksjonen for å forhindre anodeeffekter i en celle i drift. Ved maksimal strømvirkningsgrad, 100%,

er den minimale påkrevde strømningshastighet, Q, for en aluminiumsreduksjonscelle i drift, gitt ved ligningen:

hvor Avekt-% Al2°3 er forskjellen i vekt-% A^O^ i badet som går inn i og ut av ACD-gapet, eller, a aluminiumoksyd. Konstanten 0,008 er avledet fra Faraday-ligningen:

For enkelhets skyld kan Q også uttrykkes ved badvolum pr.

sek. pr. enhet anodeareal. Dvs., ved å anta en minste anodestrømtetthet på 0,5 A/cm<2>, og maksimalt 5% utarming av badet ved hver passasje gjennom ACD, dvs. Avekt-%

Al-O-, = 5, kan man fra ligning I beregne en minsteverdi

på Q = 8 x 10 cm<3>/sek./cm<2> anodeareal.

Cellefunksjonen og varmestabiliteten bedres hvis det opprett-holdes en uniform Al-jO^-konsentrasjon gjennom badet. For cellene som er definert ovenfor er de beregnede minimale strømningshastighetene for badet 202, 4000 og 12000 cm<3>/sek. for henholdsvis vannmodellen og eksempelcellene I og II.

Mens de minimale badstrømmer, Q, teoretisk er tilstrekkelige, bør verdiene i praksis overskrides for å forhindre drifts-problemer (f.eks. store anodeeffekter, høy effektiv badmot-stand og overspenninger som skyldes stort boblevolum i ACD-gapet). Driftsbetingelsene i cellen vil i noen grad modifisere badstrømmen (f.eks. på grunn av kantdannelse, skorpedannelse etc.) og kan føre til strømningshastigheter i badet som ligger under de teoretiske strømningshastighetene. Av denne grunn er det anvendt en "designfaktor" på 4 eller 5 på de minimale verdiene for badstrøm, slik at de foretrukne strømningshastigheter blir 890, 20000 og 60000 cm<3>/sek.

for henholdsvis vannmodellen og eksempelcellene I og II.

Data for vannmodellen viser en mer pålitelig og stabil badsirkulasjon ved disse foretrukne Q-verdier enn ved de minimale teoretiske Q-verdier, mens verdier på ca. 450,

10000 og 30000 cm<3>/sek. betraktes som velegnede.

Data fra vannmodellen viser at strømningsmotstanden i returkanalen er en kritisk del av denne oppfinnelsen. Når returkanalen begrenses (et resultat av forsøk på å maksimere anodearealet i cellen) blir badstrømmen stadig mer følsom overfor forandringer i strømningsmotstanden i returkanalen. Siden det finnes mange celleutførelser med ekvivalente egenskaper med hensyn på strømningsmotstand i returkanalen, er det gunstig å konstruere en forenklet hydraulisk modell for å tilveiebringe generelle designkriterier for returkanalen. Det hydrauliske trykktap, h^, som skyldes strømnings-motstand i returkanalen er gitt ved den velkjente ligning:

hvor

f^. = Fannings friksjonsfaktor

v = hastighet

L = lengde (tilnærmet lik BFL i vannmodellen)

D eq = ekvivalent hy Jdraulisk diameter

g = tyngdens gravitasjon

Friksjonen kan være en sammensatt verdi for å gjenspeile forskjeller mellom bunnen og sideflatene i kanalen. For en enkel, åpen kanal:

hvor

w = bredden av returkanalen

h = dypden av vannet på et hvilket som helst punkt langs

kanalen (minus ACD-korreksjonen i vannmodellen)

h = hp + x sinus <t>

h0 = h ved den øvre enden av anoden (dvs. minste anode-neddykkingsdypde)

x = avstanden langs returkanallengden, fra øvre kanal = katodehelning

Siden den observerte hastighet i returkanalen varierer

med vanndypden, foretrekkes det å benytte volumbadstrøm som er uavhengig av de varierende kanaldimensjoner. Volum-badstrømmen, Q, er gitt ved hastigheten ganger tverrsnittet av kanalen, eller

VI. Q = v h w, følgelig

Q-verdiene som benyttes i disse ligningene representerer den effektive gjennomsnittlige Q for kanalen, som er bestemt ved å måle den tid det tar for et injisert fargestoff å fraktes gjennom kanalen.

Det hydrauliske trykktapet kan skrives:

hvor Rf er et geometriledd for strømningsmotstanden, som avhenger av de fysiske dimensjoner på returkanalen, og K f er en væske/material-egenskapskoeffisient som er mindre avhengig av fysisk målestokk og kan bestemmes i praksis:

Siden verdien av h vil variere i en skrånende returkanal, beregnes R, vanligvis som en integral funksjon av h over kanallengden L, mens bredden w generelt forblir konstant. Fire av de forskjellige strømningsmotstandene i returkanalene som er benyttet i vannmodellundersøkelsene er gjengitt i tabell 2.

Celleutførelsen i denne oppfinnelsen er analog med en pumpet væskekrets hvor gassboblene i ACD-gapet utfører pumpevirkningen og driver badet rundt ACD-gap-returkanal-kretsen.

Et analogt pumpevirkningsgraddiagram som vist i figur 13, brukes til å beskrive sirkulasjonsegenskapene i en celle med "dreneringskatode". Økningen i pumpevirkningsgrad gjennom kurvene 1, 2 og 3, gjenspeiler økningen i katodehelning og/eller minkingen i ACD. Strømningsmotstanden øker gjennom helningene a, b og c, de gjenspeiler øket lengde og/eller avtagende tverrsnittsareal på returkanalen. De observerte strømningshastigheter gjennom ACD bestemmes

av skjæringspunktet mellom pumpevirkningsgrad- og strømnings-motstandskurvene. Ved å legge en vertikal linje over pumpe-diagrammet ved den minste strømningshastighet som kreves for å få tilstrekkelig tilførsel av A^O^ til elektrolysereaksjonen i ACD, er det mulig å danne seg et bilde av pumpe/strømningsbetingelsene. Den brå forandringen i stig-ningskoeffisienten i noen av kurvene for pumpevirkningsgrad ved lave strømningshastigheter er forbundet med reversert strømning i ACD. Tabell 2 viser den virkning strømnings-motstanden i returkanalen har på strømningshastigheten i ACD ved en konstant katodehelning og ACD.

Den lave strømningshastighet (Q) viser at en motstandsfaktor pa 2,7 x 10 cm er utenfor grensene for denne oppfinnelsen under de oppgitte betingelser. Dette bekreftes av den hovedsakelig reverserte strømningsbetingelse som observeres i ACD. For de oppgitte betingelser er en Rf-verdi på -2-4

2,7 x 10 cm innenfor grensene av denne oppfinnelse,

men den er for stor til at man kan oppnå den foretrukne strømningshastighet på 890 cm<3>/sek. for vannmodellen, dette resulterer i noen grad av reversert strømning. Det bør bemerkes at et svakt innslag av reversert strømning i noen tilfeller kan være fordelaktig siden det kan forbedre,

og ikke hindre, dreneringen av aluminium nedover katodeoverflaten.

Oppskalering for vannmodellen til en kommersiell aluminiumreduksjonscelle gir et antall utførelsesalternativer innenfor omfanget av denne oppfinnelse. De grunnleggende krav som må oppnås i produksjonscellen er:

1) Tilstrekkelig badstrøm, Q, inn i ACD til å opprettholde elektrolysereaksjonen. Den minste tilstrekkelige badstrøm er gitt ved ligning I:

Dvs. for en 100 K A celle med en Avekt-% A12C>3 på 0,2, er den minste badstrøm 4000 cm<3>/sek.

2) Det hydrauliske trykk for den gassinduserte pumpevirkningen (minus tapet ved strømningshindringer i ACD)

er lik det for den kombinerte h av returkanalen, øvre kanal og nedre kanal. For en gitt helning, ACD, strøm-tetthet og anodelengde, bør h utviklet i vannmodellen og i fullskalacellen være like.

3) Utførelse med en eller flere returkanaler med riktige dimensjoner kan benyttes slik at man oppnår det ønskede effektive strømningsmotstandsledd, R^. R^-leddet for cellen estimeres fra det for modellen ved bruk av ligningen

hvor det er tatt hensyn til forandringen i friksjonsfak-torer og total cellestrøm. Hvis dimensjonene av øvre og nedre kanal er like eller mindre enn de for returkanalen, må den variable massestrømhastigheten i øvre og nedre kanal tas med i beregningen. I de fleste for-ventede celleutførelser, og vannmodellen, er dimensjonene av øvre og nedre kanal tilstrekkelig til at de små h-^-tapene kan neglisjeres sammenlignet med tapene i den trangere returkanalen. Virkningen av strømningsmotstan-den i ACD er tatt inn i de rapporterte data for pumpevirkningsgrad. Følgelig vil Rf-leddet tilveiebringe de nødvendig designkriterier for returkanalen eller den kombinerte effekt av flere returkanaler i en celle i full målestokk. Siden en celleutførelse med "dreneringskatode" kunne omfatte flere returkanaler, n, er den effektive verdi for hver returkanal gitt ved

XII

hvor de respektive Q'er er definert ovenfor.

Man kan nå beregne en verdi for R^ (celle) ved summering over alle (n) returkanaler, som gitt ved

og for n ekvivalente kanaler,

XIV. R (cellekanal) = n<J>Rf (celle),

hvor R f (celle) kan beregnes fra ligningen

I ligning XV er R,(modell) en geometrisk motstandsfaktor

-3 4

som har en verdi fra 230 x 10 /cm til

0,2 x 10<-3>/cm<4>.

Hvis f.eks. friksjonsfaktorene for vannmodellen og eksempelcellene (som angitt i tabell 1) antas å være like, er det foretrukne Rf-leddet for hver returkanal gitt ved ligning XII, og bredden av kanalen kan beregnes fra de respektive ligninger.

Celleeksempel I

Rf (cellekanal) = Rf (modell) [4(890)/20000]<2 >Rf (cellekanal) = 0,032 Rf (modell)

w (cellekanal) = 20 cm

Celleeksempel II

Rf (cellekanal) = Rf (modell)[4(890)/60000]<2 >Rf (cellekanal) = 0,0035 Rf (modell)

w (cellekanal) = 52 cm

Returkanalbreddene gitt ovenfor er basert på en "designfaktor" på 5 i den foretrukne badstrømmen (Q), og en foretrukket verdi R^ (modell) = 6,2 x 10 . Hvis celledriften for celleeksempel II ble vurdert som stabil nok til å redusere badstrømmens "designfaktor" til 3, så ville den beregnede w (cellekanal)-verdien reduseres til 33 cm. En alternativ fremgangsmåte for å redusere den beregnede w (cellekanal)-verdi til 33 cm, uten å ofre "designfaktoren", er å øke anodens neddykkingsdypde til 8 cm (dvs. hg = 18 cm). Disse alternativene demonstrerer nytten av foreliggende oppfinnelse ved utforming av en celle med "dreneringskatode".

Figur 14 viser de R^ (modell)-verdier (som funksjon av katodehelning og ACD) som kreves for å oppnå den foretrukne Q-verdi på 890 cm<3>/sek. for modellen. R^-verdier for andre Q-verdier kan trekkes ut fra data fra vannmodellen som

vist i figurene 10, 11 og 12.

Eksempel 2 - Valg av ACD

Cellevirkningsgraden forbedres ved å redusere ACD (og derved spenningstapet i badet) uten betydelig tap i strømvirk-ningsgrad. Ved større ACD-verdier (f.eks. 4 cm eller større) er det en sterk tendens til reversert strømning i ACD-gapet. Hvis denne reversering blir for stor, vil Q-verdien reduseres for mye. Reduserte ACD-verdier fremmer den ønskede bad-strøm gjennom ACD-gapet, og høyere strømningsmotstander i returkanalen kan tolereres. Ved svært små ACD-verdier (ca. 1 cm) vil imidlertid en sekundær effekt mellom boblene og nærheten av en fast karbonoverflate forsinke den ønskede badstrøm (et resultat av den økede strømningsmotstand i ACD-gapet). Figurene 10, 11 og 12 viser at den maksimale badstrøm ikke alltid skjer ved den minste ACD-verdi som man kunne vente.

Den målte maksimale bobletykkelse avtok fra 1,0 cm

til 0,5 cm når katodehelningen øket fra 2° til 5°,

med en tilsvarende økning i nettostrømningshastighet for væsken. Når stigningen ble øket utover 5°, holdt boble-tykkelsen seg tilnærmet konstant, og boblene ble observert å anta den karakteristiske form som er beskrevet tidligere, og å bevege seg langsommere. Forandring av ACD viste seg å ha liten effekt på den observerte bobletykkelse. Hvis boblen strekker seg over en stor del av ACD, vil strømvirk-ningsgraden bli redusert betydelig ved tilbakereaksjonen av C02 med aluminiummetallfilmen på katoden, og den elektriske motstanden i badet vil øke sterkt. Av disse grunner, og av praktiske hensyn, er den foretrukne ACD fra 2 til 4 cm, med et mer foretrukket område fra 2 til 3 cm.

Eksempel 3 - Valg av katodehelning

I alle tilfeller, unntatt når returkanalen er meget trang (figur 10) eller ACD er 4 cm eller større, vil badstrømmen,

Q, overskride den foretrukne verdien på 890 cm<3>/sek. ved katodehelninger større enn eller lik 5°. Økning av katodehelningen forhindrer stor grad av reversert strømning,

og reduserer problemet med luftblokkering (store stillestående gassbobler) i ACD-gapet. På den annen side kan en for bratt vinkel bryte strømmen av smeltet metall på katode-overf laten. Tilbaketrykk på grunn av innsnevringer i returkanalen kan også forhindres ved å øke katodehelningen.

Store katodehelninger kan imidlertid gi store strømmer

av bad oppover helningen i ACD-gapet, dette kan hindre avtappingen av aluminium fra katodeoverflaten og forårsake praktiske problemer med den store variasjonen i neddykkingsdypde for anoden i badet. Når forandringen i bobletykkelse beskrevet i eksempel 2 også tas i betraktning, ligger den foretrukne katodehelning i området fra 5° til 11°,

med mest foretrukket helning ca. 8°.

Eksempel 4 - Grensediagram for valg av celleparametrer Konstruksjon og bruk av de tidligere nevnte diagrammene for celleparametrene skal nå behandles i detalj. Parameter-restriksjonene som ble benyttet til å konstruere dette diagrammet er angitt i tabell 3.

Av praktiske grunner, og for å gjøre visualiseringen av celleutførelsen enklere, angir figur 15 strømningsmotstand i returkanalen, R^, uttrykt ved tilsvarende kanalbredder (under antagelse av en kanallengde på 121 cm, en anodestrøm-tetthet på 0,68 A/cm<2>, en strømningshastighet i badet på minst 890 cm<3>/sek., og en minste kanalhøyde på h^ = 10,0 cm). Det mest foretrukne sett av celleparametrer for vannmodellen under de oppgitte betingelser er:

katodehelning =7,5°

ACD = 2,5 cm

Rf (returkanal) = 6,2 x 10 -3 /cm4

badstrøm, Q = 890 cm<3>/sek.

De følgende områder for de kritiske hydrodynamiske strøm-ningsparametrer i cellen er basert på: 1) måledata og observasjoner gjort under simuleringsforsøk i vannmodellen; 2) den fremlagte analyse av dataene; og 3) praktiske betrakt-ninger for oppskalering til kommersiell cellestørrelse.

Et sett av parameterområder er gitt i tabell 4, for vannmodellen som har en BFL på 122 cm, og en BFW på 61 cm. Parametrer for en tilsvarende aluminiumreduksjonscelle

i kommersiell størrelse er gitt i tabell 5.

Kriteriene i denne oppfinnelsen kan anvendes på flere typer celler, som f.eks. de vist i figurene 1 til 7. Spesielt kan cellen bestå av en anode som ligger tvers over bredden av cellen som en kontinuerlig del. Et eksempel på denne anoden er vist i figur 2 hvor det ikke finnes noen sentral utlufting (2), og følgelig er boblestrømslengden (BFL) tilnærmet lik den totale anodebredde. Denne type celleutforming ville gi en smal celle (ca. 122 cm bred anode for det mest foretrukne tilfellet).

En annen type celle ville være den vist i figur 2, hvor

den sentrale utluftingen (2) er med i utformingen. Den sentrale utluftingen slipper fri boblene som har akkumu-

lert i badstrømmen under passasje av den første halvdelen av anoden. I dette tilfellet er BFL definert som halvparten av den totale anodebredde. Utlufting av anodegassen er nødvendig for å forhindre at et stort boblevolum akkumuleres i ACD-gap, dette kan øke spenningstapet og nedsette strømvirkningsgraden. I denne typen celler, er den totale arbeidsbredde for anoden for de mest foretrukne tilfeller ca. 244 cm, som er en praktisk cellebredde.

I en kommersiell celle er det ønskelig å operere ved den høyest mulige anodestrømtetthet uten tap av strømvirknings-grad (for å minimalisere kapital- og arbeidsutgifter pr.

kg produsert aluminium). Ved de lave ACD-verdier som benyttes i en celle med "dreneringskatode", vil disse høye strømtett-hetene være fordelaktige for å opprettholde varmebalansen i cellen. Ved høye anodestrømtettheter vil imidlertid gassboblene akkumuleres raskere vokse seg større i ACD-gapet enn ved lavere strømtettheter. For å motvirke den nedbryt-ende effekten av bobleakkumulering i ACD, nedsettes følgelig den foretrukne BFL (anodedimensjon i retningen for boble-strømmen) proporsjonalt med økningen i anodestrømtetthet. F.eks., hvis anodestrømtettheten økes fra 1,0 til 2,0 A/cm<2>, bør den foretrukne BFL reduseres fra 122 til 61 cm. For en celle med omvendt V-katode er den foretrukne utførelse for lavere anodestrømtettheter vist i figur 1.

For å øke den foretrukne totale bredde for arbeidsanoden

ved høyere strømtettheter (større enn ca. 1,3 A/cm<2>), kan prinsippet med et lufthull for frigjøring av anodegassen utvides til flere luftehull slik at bredden av anoden økes ytterligere. Luftehullet kan være tilstede som en spalte mellom naboanodemasser, eller som en rad av hull i passende avstand fra hverandre gjennom anodemassen.

En annen fremgangsmåte er å benytte en celle av utførelse som vist i figur 1. I dette tilfellet har kanalen i sentrum flere hensikter, som luftehull for gassen, og som en øvre kanal som leder badet som kommer ut fra ACD-gapet frem til returkanalen eller -kanalene. I dette tilfellet er BFL definert som halvparten av den totale bredde av arbeidsanoden, dette gir en mer praktisk størrelse på den kommer-sielle cellen. Det er underforstått at katodehelningen vist i figur 1 kan reverseres med en sentral brønn for oppsamling av metall. I dette siste tilfellet vil de øvre kanalene være plassert langs yttersidene av cellen som vist i figur 4 .

Det er også mulig å kombinere disse celleutførelsene til

en flerkomponentcelle som består av mange celler som er forbundet ved bad- og/eller metallstrømmen eller et enkelt cellerom som inneholder flere naboenheter av typen beskrevet ovenfor.

For alle slike celleutførelser beregnes dimensjonene av returkanalen eller -kanalene i overensstemmelse med angivel-sene i eksempel 1. Det første trinnet er å velge den ønskede badstrøm, Q, basert på størrelsen av cellen som utformes,

og deretter benytte de utviklede relasjoner til å bestemme det riktige strømningsmotstandsledd, . Ligningene for det hydrauliske trykktap kan så anvendes under de angitte betingelser til å beregne et sett av foretrukne utforminger av returkanalen. Varmebalanse, og andre kriterier vedrørende celleutforming eller drift, benyttes så til å velge en av de hydraulisk ekvivalente utformingene for returkanalen. Dette endelige valg av returkanalutforming kan nå gjøres med hensyn til virkningen på den kritiske badstrøm.

Eksempel 5 - Forsøkscelle med dreneringskatode

Forsøksdata fra en aluminiumreduksjonscelle med hellende TiB2~katode, utført i laboratorieskala, viser nytten av

å bruke en vannmodell til å simulere hydrodynamikken i

en kommersiell aluminiumsreduksjonscelle. En grafittboks med dimensjoner 61 cm x 122 cm x ca. 46 cm fylt med ca.

270 kg kryolittbad, ble oppvarmet i en lukket elektrisk ovn. Når badet var smeltet, ble forsøkskatodene og anodene senket ned gjennom en åpning i toppen og plassert i kryolittbadet som vist i figur 16. Utstyr for automatisk tilførsel av A^O^ og senkning av anoder gjorde det mulig å utføre kontinuerlige elektrolyseforsøk i opptil 3 uker uten noe avbrudd for erstatning av anoder. Under alle elektrolyse-betingelser ble utgangshelningen (vanligvis horisontal)

på den nedre anodeoverflaten etter 1 til 5 dagers elektrolyse forvandlet til helningen på katodeoverflaten under. Ujevnheten på anodeflaten vist i figur 13 er overensstemmende med den bobleoppførsel som ble observert i vannmodellen. Ved startkanten av anodeflaten i vannmodellen (svarende til området A i figur 16) har boblene en meget langsom og uregelmessig bevegelse som resulterer i en svært ikke-uniform dekning av anodeoverflaten. Dette vil gi et ujevn forbruk av anodekarbon. Når boblene beveger seg oppover langs anodeflaten vinner de fart og skaper en mer uniform strøm langs anodeflaten. Elektrolyse under disse strømnings-betingelsene gir et mer uniformt forbruk av anodekarbon som vist i området C av figur 16. Visuelle observasjoner av strømningsmønstrene i forsøkselektrolysecellen er i samsvar med observasjoner gjort i vannmodellen.

Eksempel 6 - Data fra elektrolyseforsøk

Cellespenningen ble målt som funksjon av strømtetthet, ACD-verdi og katodehelning i den forsøkscellen for elektrolyse som er beskrevet i eksempel 5. Referansespenning for en konvensjonell metallpute-katode b]e fremskaffet ved å erstatte den hellende TiB2~katode med en 3 cm dyp aluminiumpute i forsøkscellen for elektrolyse. Figur 17

viser den dramatiske reduksjon i støyen i cellespenningen som ble oppnådd ved å erstatte en ustabil horisontal aluminiumpute med en hellende TiB2~katode i en aluminium.reduksjons-celle. I tillegg til reduksjonen i støyen i cellespenningen

(dvs. forbedret cellestabilitet), viste forsøkscellene med dreneringskatode følgende egenskaper.

1) Spenningssporet for forsøkscellene med dreneringskatode viste et fravær av spisser som vist i figur 17, forårsaket enten av anodeeffekter på grunn av utilstrekkelig badstrøm, eller anode-katode-kortslutninger som skyldtes turbulens i metallputen (igjen et resultat av bobletykkelse og stor grad av reversert strøm). Ved lave ACD-verdier (f.eks. mindre enn 2 cm), krevde et konvensjonelt kontroll-system for cellespenningen (ved heving og senking av anoden) betydelig inngripen av operatør for å gjennomføre et forsøk med en metallpute-katode, mens forsøk med hellende TiB2~katoder krevde liten eller ingen inngripen

av operatør.

2) Stabil forsøksdrift ble utført med hellende katode ved

ACD-verdier mindre enn 1 cm.

3) Cellens respons på forandringer i strømtetthet eller ACD var rask og klar. Den nye stasjonære cellespenningen innstilte seg i løpet av ca. 1 minutt, sammenlignet med den restabiliseringsperiode på 15-30 minutter som krevdes for metallpute-katoden. Dette gjør det mulig å benytte enklere og mer pålitelige automatiseringsteknik-ker i cellen. 4) Utlufting av bobler fra anodeflaten var hovedsakelig langs den øvre kanten av den skrånende anodeflaten.

Når en anode med en horisontal flate ble plassert i cellen med en skrånende katode, var den begynnende utlufting av anodegassboblene tilfeldig fordelt rundt alle fire kanter av anodeflaten. Ved fortsatt elektrolyse begynte anodeflaten å ta form etter den skrånende katoden, og utlufting av gassboblene ble konsentrert langs den øvre kanten av den skrånende anodeflaten. I forsøk hvor en metallpute-katode ble benyttet, ble det bare observert tilfeldig utlufting av gassbobler fra anodeflaten.

I tillegg til forbedret cellestabilitet, viser elektrolyse-forsøkene at en betydelig reduksjon i anode-katode polarisa-sjonsspenningen kan oppnås ved bruk av en dreneringskatode.

Figur 18 viser den målte anode-katode polarisasjonsspenning som en funksjon av helningen på TiB2~katoden i forsøkscellen. Ved den foretrukne katodehelning på 8° viser forsøksresul-tatene en reduksjon på ca. 45% i anode-katode polarisasjons-spenningen, eller en innsparing på ca. 0,22 V i cellespenningen i tillegg til det som oppnås ved å redusere ACD. Denne fordelen ved en celle med "dreneringskatode" har hittil ikke vært rapportert i litteraturen.

Den observerte reduksjon i konsentrasjonspolarisasjonen

som funksjon av økende strømningshastighet for badet (se figur 18, og også figur 12 som et eksempel på strømnings-hastighet som en funksjon av katodehelning) er i overensstemmelse med elektrokjemisk teori for strømmende systemer eller systemer med røring. I det laminære området er konsen-tras jonspolarisasjonsspenningen proporsjonal med kvadratroten av badhastigheten. De målte spenninger i figur 18 avtar ikke så raskt med økende katodehelning som forutsatt ved laminær strømning. Dette tyder på at betingelsene i badet i ACD enten er i overgangsområdet eller i det turbulente området hvor forandringen i konsentrasjonspolarisasjons-spenning er mindre følsom for strømningshastigheten i badet. Data fra vannmodellen bekrefter denne hypotesen.

Forsøksdata for elektrolyse i en celle med hellende TiB2~ katode sammenlignet med en celle med en horisontal metallpute-katode har vist forbedret cellestabilitet (dvs. forbedret strømvirkningsgrad og reduserte anodeeffekter), ved reduserte ACD-verdier (dvs. for å redusere cellespenningen), forbedret respons på forandringer i ACD og strøm (dvs. mulighet for å benytte enklere og mer pålitelig kontrollautomatikk),

mer lokalisert utlufting av anodegass (dvs. enklere gass-kontrollsystemer) og redusert anode-katode polarisasjonsspenning. Den asymptotiske delen av polarisasjonskurven ved katodehelninger større enn 5° i figur 18, er i overensstemmelse med det foretrukne området for katodehelning som vannmodellstudiene antydet.

Claims (18)

1. Dreneringskatodecelle for elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd til aluminium i et kryolittbasert bad inneholdende aluminiumoksyd, karakterisert ved at den innbefatter: et skall som har indre overflate foret med ildfaste materialer og karbonmaterialer, slik at det defineres et katode-hulrom; en katode som har minst en øvre overflate inneholdende et hårdt aluminium-fuktbart, ildfast materiale; minst to anoder som strekker seg inn i katodehulrommet, og som begge har en nedre overflate i avstand fra nevnte øvre overflate av katoden i en anode-til-katode-avstand på 1 cm til 5 cm, hvilket definerer en anode-katode-avstand (ACD) og en strømningsvei mellom anode og katode hvor øvre katodeoverflate og nevnte nedre anodeflate skråner fra horisontalplanet med fra 2° til 15°, slik at det tilveiebringes en nedre ende og en øvre ende av strømningsveien mellom nevnte anode og nevnte katode; en innretning i hulrommet for under drift å tilveiebringe en minimal badstrømningshastighet Q(celle) rundt i det minst en i det vesentlige horisontal badsirkulasjonskrets for å sikre tilførsel av aluminiumoksyd for elektrolysereaksjonen hvori (hvor Avekt-% AI2O3 er forskjellen i vekt-% A1203 i badet ved inngangen og utgangen av ACD-gapet) ved at det tilveiebringes minst en returstrømkanal for å fullføre sløyfen, hvor sløyfen innbefatter: (i) nevnte strømningsvei mellom anoden og katoden; (ii) minst en nedre kanal i fluidkontakt med den nedre enden av nevnte strømningsvei mellom anoden og katoden; (iii) minst en øvre kanal i fluidkontakt med nevnte øvre ende av strømningsveien mellom anode og katode; (iv) minst en returstrømskanal i fluidkontakt med nevnte øvre kanal og nevnte nedre kanal; returstrømskanalen, anbragt mellom nabo-anoder, har dimensjonene h, w og L, hvor h er baddybden i cm ved et hvilket som helst gitt punkt, w er bredden av returkanalen i cm, og L er lengden av returkanalen i cm, og hvor h, w og L er bestemt ved relasjonen hvor Rf er strømningsmotstanden i returstrømkanalen, og hvori maksimalverdien for Rf(cellekanal) er bestemt ved relasjonene og hvori (X) ligger i området fra 0,2 x 10~<3>/cm<4> til 230 x 10~<3>/cm<4> og hvor (X) er en geometrisk motstandsfaktor.

2. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte ACD ligger i området fra 1,5 til 4,0 cm.

3 . Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte ACD ligger i området fra 2,0 til 3,0 cm.

4. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at ACD er ca. 2,5 cm.

5. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at den øvre katodeoverflaten og nevnte nedre anodeoverflate danner en vinkel med horisontalplanet på fra 5° til 10°.

6. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at den øvre katodeoverflaten og den nedre anodeoverflate danner en vinkel med horisontalplanet på fra 6° til 8°.

7. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at den øvre katodeoverflaten og den nedre anodeoverflate danner en vinkel med horisontalplanet på ca. 8".

8. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at L(cm) ligger i området fra 15 til 300.

9. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at L(cm) ligger i området på fra 3 0 til 250.

10. Dreneringskatodecelle ifølge krav l.karakteri- sert ved at L(cm) ligger i området på fra 60 til 200.

11. Dreneringskatodecelle ifølge krav l, karakterisert ved at L(cm) er ca. 122.

12. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at X(10~<3>/cm<4>) ligger i området på fra 1,0 til 20.

13 . Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at X(10~<3>/cm<4>) ligger i området på fra 5,0 til 10.

14 . Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at X(10~<3>/cm<4>) er ca. 6,2. ■

15. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at cellen innbefatter et stort antall returstrømskanaler = n, og hvori Rf(cellékanal) = n<2>Rf(celle).

16. Dreneringskatodecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte skråning og nevnte ACD er relatert til hverandre på en slik måte at tykkelsen av bobler som genereres i den elektrolytiske reaksjonen er mindre enn 50 % av nevnte ACD.

17. Dreneringskatodecelle ifølge et hvilket som helst av kravene 1-15.karakterisert ved at en returstrøms-kanal er anbragt mellom en anode og en nærliggende innervegg av katodehulrommet.

18. Dreneringskatodecelle ifølge et hvilket som helst av kravene 1-17.karakterisert ved at det aluminium-fuktbare, hårde ildfaste materialet er valgt fra en gruppe omfattende titandiborid, titankarbid, zirkoniumdiborid, zirkoniumkarbid og blandinger derav.