NO821275L - Elektrolysekar for smelteelektrolyse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et elektrolysekar, særlig for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse, og som består av et ytre stålhylster, et varmeisolerende sjikt og en indre foring som hovedsakelig utgjøres av karbonmaterial.

For utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd oppløses dette i en fluoridsmelte, som for største del-en består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium sam-ler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium utgjør cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved den van-lige elektrolyseprosess består av amorft karbon. Ved elektro-lytisk spalting av aluminiumoksydet utvikles ved karbonanod-ene oksygen, som forbinder seg med anodenes karbonmaterial til CC>2og CO. Elektrolysen finner sted innenfor et tempera-turområde på ca. 940 - 970°C.

Den elektriske energi som- forbrukes under elektrolyseprosessen kan oppdeles i to hovedkategorier, nemlig:

produksjons- eller reduksjonsenergi

energitap.

Den produktive del av energiforbruket benyttes til å redusere kationene til metallisk aluminium. Denne produktive del av energiforbruket kan således ikke unngås.

De uproduktive energitap kan imidlertid oppdeles i forskjel-lige tap, som alle innebærer varmetap til omgivelsene. Disse varmetap kan påvirkes og må nedsettes til et minimum.

Dette kan oppnås ved anvendelse av optimalt egnede material-er som strømledere, således at spenningsfallet og dermed en-ergitapet i den elektriske strømkrets kan nedsettes til et minimum.

Den 'varme som utvikles under elektrolyseprosessen strømmer

I

alltid til kaldere områder av elektrolysekaret og avgis der-fra til omgivelsene, hvorved energi uttappes fra produksjons-prosessen .

For bare i liten grad eller slett ikke å la varme unnslippe fra elektrolysekaret, er derfor allerede i lengere tid et varmeisolasjorissjikt anordnet på innsiden av det ytre stålhylster. Vanligvis anvendes formstykker av kiselgur eller molersten. Nye molerstener har fremragende isolasjonsegenskaper, men de er imidlertid meget følsomme for eventuelle komponenter av elektrolysebadet som har trengt gjennom karbonforingen. Det innerste sjikt av isolasjonen er derfor ofte utført av mindre følsomme men også dårligere isolerende schamottstener. Sådanne stener kan lett stables på hverandre, således at såvel karets sidevegger som dets horisontale bunn på denne måte kan isoleres uten vesentlige problem-er .

I f.eks. US-PS 4 001 104 og 4 052 288 er det videre fore-slått i stedet for forut utformede stener å anvende gran-ulerte isolasjonsmidler, f.eks. oksydleire. Granulert mat-erial anvendes imidlertid vanligvis bare i horisontale sjikt, hvilket vil si for isolasjon av karets bunn. For isolering av karets sidevegger anvendes derimot som før hensiktsmessig isolasjonsstener som er stablet på hverandre.

Oksydleire er inert overfor badkomponenter som eventuelt har trengt igjennom karbonforingen, men varmeisolasjonsevnen for bunnen av et elektrolysekar foret med oksydleire er forholds-vis liten. Når et elektrolysekar må utskiftes, brytes for-ingen løs og må i de fleste tilfeller kåseres. Ved anvendelse av oksydleire som isolasjonsmaterial er det mulig å be-nytte aluminiumoksyd fra bunnisolasjonen på nytt, idet tilfelle vedkommende elektrolyseanlegg er utstyrt med de nød-vendige midler for dette formål. Rent ålment kan det sies at sådant gjenvinningsutstyr er en avgjørende faktor når oksyd-

I

leire skal anvendes som bunnisolasjonsmiddel.

Anvendelse av molerstener og oksydleire som isolasjonsmiddel utgjør en betraktelig omkostningsfaktor for et elektrolyseanlegg for fremstilling av aluminium, da begge disse to mat-erialer må betegnes som dyre. Videre oppviser molerstener den ulempe at deres gode egenskaper med hensyn til varmeiso-las jon stadig nedsettes, etter hvert som de impregneres med badkomponenter som har trengt igjennom karbonforingen. På denne måte kan et elektrolysekar miste største delene av sin varmeisolasjonsevne før utløpet av en tredjedel av karets nor-male levetid på f.eks. 5 år. Dette betyr med andre ord at elektrolysecellen i 2 til 3 år drives uten virksom varmeisolasjon, og derved under lengre tid avgir betraktelige energi-mengder til sine omgivelser.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frem-bringe et varmeisolasjonssjikt for et elektrolysekar og som oppviser gode isolasjonsegenskaper over hele elektrolysekarets levetid, men likevel kan fremstilles med vesentlig mindre investeringsomkostninger enn de tidligere utførelsesformer.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at i det minste de nedre 80% av varmeisolasjonen i karets bunn består av et vulkanaskesjikt som er gjort kompakt med mekaniske midler, mens resten av karbunnens varmeisolasjon utgjøres av en lek-kas jesperre som avskjermer vulkanasken mot eventuelle komponenter av elektrolysebadet som er trengt gjennom karbonforingen.

Vulkanaske fylles, i mange land som naturlig råstoff i rike-lige mengder, og kan utvinnes med små omkostninger. Den naturlig forekommende aske i form av grovt granulat med en mid-lere partikkelstørrelse på 5 - 30 mm er lett og porøs. Vanligvis har den også den nødvendige mekaniske styrke. Den sorte islandske vulkanaske er funnet å være særlig egnet.

I

Denne kan helles ut uten ekstra forbehandling som bunniso-lasjon i elektrolysekaret og derpå gjøres kompakt mekanisk ved stamping og/eller vibrering.

Prinsippielt er det også mulig å anvende vulkanaske for varmeisolasjon av elektrolysekarets sidevegger, men dette vil være mindre hensiktsmessig av følgende grunner: vulkanaske som er stanset inn mellom stålhylsterets.side- vegg og karbonforingen vil være for porøst, eller briketter av vulkanaske som er fremstilt ved anvendelse av et bindemiddel, vil tape en del av sin varmeisolas-j onsevne.

På grunn av sin gode isolasjonsevne gjøres vulkanaskesjiktet så tykt som mulig , men likevel ikke tykkere enn at resten av varmeisolasjonen kan utgjøres av en tilstrekkelig tykk lekkasjesperre til å gi optimal levetid for elektrolysekaret. Fortrinnsvis utgjøres derfor i det minste de nedre 90% av karets gulvisolasjon av vulkanaske.

På det kompakte isolasjonssjikt av vulkanaske strøs så fortrinnsvis pulverformet oksydleire av den art som anvendes i elektrolyseprosessen for fremstilling av aluminium. Den forutgående kompaktgjøring av vulkanasken hindrer større mengder av aluminiumoksyd å trenge inn i askesjiktet, hvilket i tilfelle ville nedsette asken isolasjonsevne.

Et tynt, ca. 3 - 6 cm tykt oksydleiresjikt er tilstrekkelig til å fungere som lekkasjesperre.

For ytterligere forbedring av lekkasjesperren kan det mellom vulkanasken og oksydleiren innlegges et tynt ugjennomtrengelig og bøyelig grafittmembran som er forbundet med et tynt stålfolie (se TMS Paper Nr. LM 78-19 eller DE-OS 28 17 202).

En utførelse av elektrolysekarets bunn i samsvar med foreliggende oppfinnelse oppviser følgende fordeler: Vulkanaske har omtrent samme termiske egenskaper som molerstener, således at et elektrolysekar med bunnen foret hovedsakelig med vulkanaske vil ha tilrekkelig stor varmeisolasjonsevne.

Vulkanaske er et ytterst billig naturprodukt som i mange av verdens land kan utvinnes uten store omkostninger og etter transport uten videre forbehandling kan fylles i elektrolysekar og mekanisk gjøres kompakt. Den etter-følgende sammenligning av omkostninger viser de enormt høye innsparinger som kan oppnås ved anvendelse av vulkanaske (tranportomkostninger utelatt).

Anvendelse av et tykt lag vulkanaske og en tynn lekkasjesperre, som fortrinnsvis består av oksydleire, forhøyere i betraktelig grad bunnisolasjonens levetid, hvorved også energi innspares. Dette utvirker seg særlig ved at energi-tapene ved gamle elektrolysekar praktisk talt er de samme som ved nye kar.

i

Tabellen ovenfor viser at anvendelse av vulkanaske med et overliggende aluminiumoksydsjikt- fører til en ytterst om-kostningsgunstig utførelse med meget godt termisk isolert karbunn, som selv ved fremskredet alder ikke taper sine gunstige isoleringsegenskaper.

Den vedføyde tegning med en eneste figur viser skjematisk et vertikalt snitt gjennom en del av et elektrolysekar som benyttes for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse .

I et stålhylster 10 er det innlagt et sjikt av vulkanaske 12 som er gjort kompakt med mekaniske midler. Ovenpå dette ca. 25 cm tykke askesjikt er det strødd ut et ca. 5 cm tykt sjikt 14 av oksydleire. Sideveggen av stålhylsteret 10 er isolert med moler- eller schamottstenene 16. Til slutt an-ordnes en karbonforing 18, som kan inneholde ikke viste kat-odestaver.

Claims (4)

1. Elektrolysekar, særlig for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse, og som består av et ytre stålhylster (10), et varmeisolerende sjikt (12, 14, 16) og en indre foring (18) som hovedsakelig utgjøres av karbonmaterial, karakterisert ved /at i det minste de nedre 80% av varmeisolasjonen (12, 14)' i karets bunn består av et vulkanaskesjikt (12) som er gjort kompakt med mekaniske midler, mens resten av karbonbunnens varmeisolasjon utgjøres av en lekkasjesperre (14) som avskjermer vulkanasken mot eventuelle komponenter av elektrolysebadet som er trengt igjennom karbonforingen (18).

2. Elektrolysekar som angitt i krav 1, karakterisert ved at i det minste de nedre 90% av varmeisolasjonen består av et vulkanaskesjikt (12).

3. Elektrolysekar som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at lekkasjesperren (14) består av pulverformet aluminiumoksyd.

4. Elektrolysekar som angitt i krav 3, karakterisert ved at et ugjennomtrengelig bøyelig grafittmembran som er forbundet med en bærefolie av stål, skiller vulkanasken (12) fra aluminiumoksydet (14).