NO821642L - Nedre del av smelteelektrolysecelle. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår nedre del av en smelteelektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium og som omfatter et elektrolysekar understøttet av metallkomponenter og med et ytre stålhylster, er varmeisolerende sjikt samt en elektrisk ledende, indre karbonforing som er bestandig overfor smeltematerial.

For utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd oppløses sådant oksyd i en fluoridsmelte,

som for størstedelen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på

cellens karbonbunn, idet overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved den vanlige fremstillingsprosess består av amorft karbon. Ved den elektrolytiske spalting av aluminiumoksydet ved karbonanodene frigjøres oksygen som forbinder seg med anodenes karbonmaterial til (X>2og CO. Elektrolysen finner sted innenfor et temperaturområde

på omkring 940-970°C. Karbonforingen er under cellens drift gjenstand for en betydelig volumøkning. Denne forårsakes av elektrolyttkomponenter som trenger inn i foringen. Med sådanne komponenter forstås f.eks. natrium, eller salter som fluoridsmelten er sammensatt av, såvel som kjemiske forbindelser,som er fremkommet ved ikke nærmere kjente reaksjoner i fluoridsmelten.

Som en følge av karbonforingens volumutvidelse utøver denne et trykk på varmeisolas j onen og dermed indirekte på/stål - hylstret. Dette utsettes derved for ikke-reversible deformasjon ved påkjenning av stålet inn- i det plastiske def ormas j on somr åde, hvilket kan frembringe sprekker i materi K.'i alet. Også karbonforingen deformeres, idet foringens bunn for det meste hvelver seg oppover, hvorved det kan oppstå sprekker i foringen. Det flytende aluminium kan da trenge inn i disse sprekker og angripe katode stabene av jern, som fører den elektriske likestrøm ut av cellen. Ødeleggelsen av cellens foring kan gå så langt at det flytende aluminium strømmer ut av cellen. I dette tilfellet må

cellens vanligvis tas for tidlig ut av drift. Dette fører til dyre reparasjonsarbeider, og dessuten oppstår et produksjonstap pga. cellens stillstand.

Ved å anbringe avstivninger på' stålhylstret er det

gjort tallrike forsøk på å unngå deformasjoner og sprekkdannelser. Disse kan imidlertid ikke forhindres, men bare reduseres. Videre utgjør sådanne avstivninger en vesentlig driftsøkonomisk ulempe, da cellen- fordyres og cellekarets samlede vekt forhøyes i betraktelig grad.

Andre tiltak har gått ut på å mette karbonforingen med elektrolyttkomponenter og overvinne den derved frembragte volumutvidelse. Det har imidlertid vist seg at denne volumøkning ikke kan utelukkes og må tas i betraktning som en uunngåelig forutsetning.

I DE-AS 1.005.739 er det gjort forsøk på å øke såvel fastheten som levetiden for stålhylstret og dets indre foring, idet stålforingen er sammensatt av et antall for-skjellige enkeltdeler, som kan utsettes for forskyvning i forhold til hverandre. Disse enkeltdeler er ved hjelp av elastiske tilbakeføringselementer montert på det fast-stående stativ på cellens overside. Da imidlertid således det ikke mer nødvendige avstivningsutstyr er erstattet med en komplisert oppbygning av elektrolysekaret, forblir imidlertid investeringsomkostningene høye.

I DE-AS 2.673.055 foreslås det å utføre stålhylstret med

en utbuktning. Denne omslutter et første, lett deformerbart material samt et annet material som først deformeres ved større kraftpåvirkning, idet disse materialer fullstendig utfyller et romområde for opptagelse av karbonforingens bunn, som under cellens drift utvider seg i horisontal ret-

ning. Det nevnte annet material oppviser herunder sådanne mekaniske egenskaper at kreftene overføres til stålhylstrets utbukthing uten varig deformering og/eller rissdannelser. De motkrefter som virker på karbonforingens bunn, nedsetter dennes uthvelvning og tendens til sprekkdannelser.

Et forslag som går ut på å forsyne elektrolysekaret med avstivninger, samtidig som karutvidelsens elastisitet beholdes, beskrives i DE-OS 2.948.104. De forsterkninger som er påført karets sidevegger er elastisk utført og anordnet bevegelig ved hjelp av festeanordninger. Fortrinnsvis er avstivningselementene innhule, således at det kan dannes en temperaturforskjell på 100-200°C

over profilen.

Endelig er det i DE-OS 2.122.246 beskrevet en elektrolysecelle med et stålhylster av kasseform og utvendig forsynt med horisontale bærebjelker langs kortsiden og bunnen samt med vertikale stolper ved langsidene. Bolter med rund-muttere danner hengselforbindelse mellom gulvet og de vertikale støttestolper, hvis nedre ender er understøttet av parvis anordnede avstandsstykker.

Skjønt de tidligere foreslåtte løsninger kan avhjelpe noen av vanskelighetene, foreligger det fremdeles ved elektrolyseceller for ytterst høye strømstyrker meget store problemer. Moderne aluminiumsmelteelektrolyseceller med arbeidsstrømmer over 200 kA kan i praksis bare gjøres lengre, og ikke utbygges i bredden, da man på denne måte lettere kan beherske de foreliggende magnetiske problemer. Ved sådanne lange og smale elektrolyseceller er det en økende tendens til at varmeutvidelse av karbonforingen fører til torsjonsforskyvninger i lengderetningen, hvilket til og med kan føre til utbøyning på tvers av cellens lengdeakse. Denne såkalte "skoeske-effekt" må derfor forhindres uten at cellens forankres på sådan måte at sprekkdannelser vil oppstå.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å angi et konstruksjonsprinsipp for den nedre del av en smelteelektrolysecelle av hvilken som helst størrelse,

men særlig for celler med nominell arbeidsstrøm over 200 kA, med det formål å forhindre ukontrollert deformasjon uten at cellen derved utsettes for skade i form av sprekkdannelser. Cellekonstruksjoner bør på grunnlag av dette prinsipp kunne utføres med lave investerings-omkostninger og med fleksibel anvendelse.

Dette oppnås i henhold til foreliggende oppfinnelse ved

at et fagverk av stålprofiler er anordnet i et gitter-mønster i cellens lengderetning og sammensatt av enhetlige massive sideprofiler som strekker seg over hele cellens lengdeutstrekning, samt holderammer anordnet i innbyrdes avstand i samsvar med foreliggende fasthetsfordringer og cellens konstruksjon omkring sideprofilene, idet nevnte rammer er dannet av massive sidestøtter som forbinder nedre bæreprofiler og øvre avstivningsprofiler, mens elektrolysekaret er anordnet inne i fagverket og festet til sideprofilene over plastisk og elastisk de-formérbare elementer som utøver mottrykk. Det trykk mot sidene av cellen som frembringes av karbonforingen og tiltar med cellens alder, må motvirkes av de horisontale sideprofiler og de vertikale sidestøtter i fagverket. Begge disse profiltyper må derfor være kraftig dimensjonert og f.eks. foreligge i form av bredflensede dobbelte T-bjelker eller U-bjelker. Stålprofiler med veggtykkelse på minst 1 cm samt en flens og stammelengde på mer enn 10 cm kan oppta de krefter som oppstår, når sideprofi lene i det minste med 5 m mellomrom er fast forbundet med sidestøttenes innerflens.

De bæreprofiler som forløper i cellens tverretning, har imidlertid bare som oppgave å bære cellens vekt, idet ingen utvidelseskrefter virker på disse profiler. Disse bæreprofiler kan forøvrig være understøttet på flere steder, og i grensetilfellet således' over hele sin lengde. Særlig i sistnevnte tilfellet er det derfor tilstrekkelig å benytte som bæreprofiler smale I-bjeiker som er stilt på høykant, og som ved siden av sin bærefunksjon bare må tåle den strekk-belastning som overføres gjennom sidestøttene.

De øvre avstivningsprofiler behøver bare å kunne oppta

de strekk-krefter som overføres fra sidestøttene. For i minst mulig grad å hindre cellens innretning og hånd-tering er disse derfor utført i form av smale I-bjelker anordnet på høykant. Avstivningsprofilene forløper bare litt over elektrolysekaret, fortrinnsvis 1^,70 cm.

De enkelte profiler i fagverket er innbyrdes forbundet på'vanlig kjente måte, nemlig: løsbart, f.eks. ved hjelp av skruer, bolter eller fuger (sammenplugging av profilene), eller

uløsbaart, f.eks. ved sveising.

Sidestykkene kan også være svingbart opphengslet på bæreprofilene.

Av magnetiske og driftsøkonomiske grunner stilles smelte-elektrolyseceller for fremstilling av aluminium med større strømydelser, f.eks. over 150 kA, på tvers i elektrolysehallen. I dette tilfellet tilføres den elektriske likestrøm ikke bare over anodebærerens smalside, men,.også over dens langside. Fagverket i henhold til oppfinnelsen er derfor utformet med så lav høyde at strømtilførselen fra siden til anodebæreren kan finne sted på oversiden av stålprofilene. På denne måte hindres elektrolysecellens betjening bare i liten grad eller slett ikke av fagverket.

De holderammer som er sammensatt av de nedre bæreprofiler, sidestøttene og de øvre avstivningsprofiler, er i avhengighet av de foreliggende fasthetsfordringer og cellens utførelse anordnet på sådan måte at side-

støttene kan motstå trykket fra cellekaret uten å

deformeres i vesentlig grad. På den annen side må det ikke anordnes så mange holderammer at investeringsomkostningene øker i for høy grad eller av beis-

prosessene i forbindelse med cellen, f.eks. utskifting av anoder, i vesentlig grad hindres.

Holderammene er derfor hensiktsmessig anordnet med innbyrdes mellomrom på 1-5 m, fortrinnsvis mellom 3 og 4

meter. Da smelteelektrolysecellen i sin helhet er oppbygget på grunnlag av diametrisk iregelbundethet, er også' holderammene fortrinnsvis anordnet med samme innbyrdes avstand.

Antallet horisontalt anordnede sideprofiler beløper seg

til minst to, på hver langside av cellen, idet minst en sideprofil er anordnet i nivå med karbonbunnen, da det største trykk oppstår på dette sted.

Fagverket i henhold til oppfinnelsen er ved elektrolyseceller med høy til meget høy strømbelastning ikke bare istand til å hindre .utvidelsen sideveis,men også dannelse av torsjon i cellens lengderetning samt utbøyninger på

tvers av denne retning. Detter er særlig viktig, særlig ved celler med stor lengdeutstrekning, da utbøyningen av sideveggene er en funksjon av kuben på cellelengden 1, hvilket vil si at sideveggenenes utbøyningstendens øker proporsjonalt med tredje potens av cellelengden.

Elektrolysekaret i en nedre celledel i henhold til oppfinnelsen behøver således ikke lengder å konstrueres som en komplisert kasse med forsterkningselementer, idet det i stedet er begrenset av et enkelt ytre stålhylster. Plastisk eller elastisk deformerbare elementer er anordnet mellom elektrolysekaret og fagverkets sidestøtter. Disse elementer kan være av forspenningstype, hvilket vil si at allerede den kolde elektrolysecelle, f.eks., ved innstampingen av karbonmassen kan være utsatt for et mottrykk fra de deformerbare elementer. Derved dannes et "ytre bufferrom" og ved valg av passende deformerbare elementer kan mobtrykket innstilles på passende verdi. Som godt egnet mottrykkselement har vist seg en tallerkenfjær som kan innstilles med en dreiemomentnøkkel. Fortrinnsvis er også bæreprofilene utstyrt med sådanne deformerbare elementer.

Analogt med DE-AS 2.633.055 har det også vist seg for-delaktig å danne to-trinns bufferrom. Disse er imidlertid ikke anordnet i en utbuktning av stålhylstret, men istedet mellom stålhylstret og horisontale sideprofiler. I dette området på utsiden av hylstret kan det således innlegges et første, lett deformerbart material samt også et annet material som først deformeres ved større kraft-påvirkninger. I denne sammenheng henvises særlig til figurene 4 til 7, i DE-AS 2.63..055 og den tilhørende beskrivelse. Det annet, vanskelig deformerbare material er anordnet i nivå med karbonbunnen, og for opptagelse av mottrykket forløper en kraftig sideprofil i fagverket i samme nivå.

Endelig består et ytterligere vesentlig særtrekk i at foreliggende fagverk med gjennomgående sideprofiler i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å bygge opp et elektrolysekar av byggeelementer. Med smelteelektrolyse . for fremstilling av aluminium kan f.eks. en tverrstilt celle være oppbygget av hylsterelementer.som hver tillater en strømstyrke på 60 kA. Denne moduloppbygning er basert på hylsterelementer som fortrinnsvis er satt sammen ende mot ende samt på enkel måte kan utskiftes enkeltvis ved påvist feil. Dette kan bety en meget stor driftsøkonomisk fordel.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart, ved hjelp

av utførelseseksempler under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser i perspektiv et utsnitt av en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium, og

fig. 2 og 3 viser snitt gjennom deler av smelteelektrolysecellen i fig. 1 og angir elastisk eller plastisk deformerbare og trykkopptagende elementer, som for enkelthets skyld er utelatt i fig. 1.

Det utsnitt av den nedre del av en smelteelektrolysecelle som er angitt i fig. 1, består hovedsakelig av et fagverk og et elektrolysekar som er innlagt i dette.

Dette elektrolysekar er mot utsiden avgrenset av et stålhylster 10, som langs sin øverste kant er forsterket ved en påført rektangelformet karbonblokk 12. Et varme-isolasjonssjikt 14 hindrer for store varmetap, under smelteelektrolysen. Den indre karbonforing består av karbunnen 16 og sidevegger 18. Disse karbondeler danner katode i den tomme smelteelektrolysecelle, idet den elektriske likestrøm tas ut av cellen gjennom katode-staver 20 av jern.

Under elektrolyseprosessen er karbonforingen 16, 18 fylt med flytende aluminium og elektrolytt ovenpå dette.

Bunnen av stålkaret 10 er understøttet av bæreprofilet

22, som er opprettstående-profiler eller smale-dobbelte T-profiler. Sideveggene av stålhylstret er på hver side avstivet av 3 dobbelte bredflensede T-profiler, som strekker seg i horisontal retning langs hele cellelengden.

Den midterste av sideprofilene 24 ligger i nivå med karbonbunnen 16. Alle sideprofiler 24 er på sin side festet til innbyrdes tilstøtende U-profiler, som danner understøttene 26. Disse sidestøtter 26 er i foreliggende tilfelle sveiset med sin ene ende til fjaereprofilene 22 samt er oventil forankret ved hjelp av bolter til avstivningsprof ilene 28.

En bæreprofil, 2 sidestykker 26, og en avstivningsprof il 28 danner en holderamme. Disse holderammer er i foreliggende utførelseseksempler anordnet i en innbyrdes avstand som tilsvarere det firedobbelte av avstanden mellom katodestavene 20. Avstivningsprofilen..28 bør ikke ha katodepotensial, og enten må hele holderammen være isolert, eller avstivningsprofilen 28 isolert overfor sidestøttene 26.

Det kantområde av en elektrolysecelle som er forstørret fremstilt i fig. 2, har mellom sideprofilene 24 som er påsveiset stålhylstrets sidevegg 11, og sidestøttene 26, et vertikalt bufferrom. som ligger på utsiden av cellen. Den trykkfjær 30 som er undetstøttet av to tallerken-formede bæreskiver 24, kan forspennes hver for seg ved hjelp av en skrue 32. Ved kald celle kan alle fjærer trekkes til like sterkt. Da det største trykk vil utgå fra karbonbunnen 16, forspennes imidlertid gjerne den fjær som er anordnet i dette nivå ekstra sterkt.

I ■ den anordning som angitt i fig. 3, ligger de sideprofiler 24 som er sveiset på stålhylstrets sidevegg 11, direkte an mot sidestøttene 26. Bæreprofilen 22

og avstivningsprofilen 28 står fast og er ved sine ytterender utstyrt for mottagelse av skruer 32.

En individuell forspenning av sidestøttene 26 overfor bæreprofilen 22 og avstivningsprofilen 28 kan innstilles ved at en skrue 32 trykker mot en anleggsplate 34, som i sin tur påvirker minst en trykkfjær 30.

Claims (10)

1. Nedre del av en smelteelektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, og som omfatter et elektrolysekar understøttet av metall-komponenter og med et ytre stålhylster, et varmeisolerende sjikt samt en elektrisk ledende, indre karbonforing som er bestandig over smeltematerial, karakterisert ved uet fagverk av stålprofiler anordnet i et gittermønster i cellens lengderetning og sammensatt av enhetlige massive sideprofiler (24) som strekker seg over hele cellens lengdeutstrekning, samt holderammer (22, 24, 26) anordnet i! innbyrdes avstand- i samsvar med foreliggende fasthetsfordringer og cellens konstruksjon omkring sideprofilene (24) idet nevnte rammer er dannet av massive sidestøtter (26) som forbinder nedre bæreprofiler (22) og øvre avstivningsprofiler (28), mens elektrolysekaret er anordnet inne i fagverket og festet til sideprofilene (24) over plastisk eller elastisk deformerbare elementer som utøver mottrykk.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det på hver langside av elektrodecellen er anordnet minst to sideprofiler (24) .

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at det på hver langside av elektrolysecellen er anordnet en sideprofil (24) i nivå med bunnen (16) av karbonforingen (16,18).

4. Anordning som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at holderammene (22, 26r 28) er anordnet i en innbyrdes avstand på 1-5 meter, fortrinnsvis 3-4 meter.

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at holderammene (22, 26, 28) er anordnet med samme innbyrdes avstand.

6. Anordning som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at fagverket er utført med lavtliggende avstivningsprofiler (28) , som fortrinnsvis forløper 1-70 cm over elektrolysekaret.

7. Anordning som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at elektrolysekaret er opplagret på bæreprofilene (22) over plastisk eller elastisk deformerbare elementer (30, 32, 34) som utøver mottrykk.

8. Anordning som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at de deformerbare elementers mottrykk er innstillbart.

9. Anordning som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at tallerkenfjærer anvendes som deformerbare elementer (30, 32, 34).

10. Anordning som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at elektrolysekaret er sammensatt av modulelementer som kan utskiftes hver for seg.