NO139692B - Elektrolytisk celle for produksjon av aluminium - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en forbedret type elektrolytisk celle for anvendelse ved saltbadelektrolyse som er vanlig benyttet ved produksjon av aluminiummetall ved hjelp av Hall- .... 1..:-prosessen. Mer spesielt angår oppfinnelsen viktige modifikasjoner av anode-arrangementet og økninger i det effektive tverrsnittsoverflateareal av karbonanoder som benyttes i Hall-celler eller "kar" som arbeider ved midlere og opp til høye strømtettheter. De modfifiserte anode-arrangementer og økningene i anodetverrsnittsareal fører til vesent-lige besparelser med hensyn til elektrisk energiforbruk og til en utflating av den såkalte "metallpute" som er et uttrykk som refe-

rer seg til det smeltede metall som danner katoden.

Ved konvensjonell elektrolytisk aluminiumproduksjon blir

et antall før-brente eller før-sintrede anodeblokker eller anode-montasjer (én anodemontasje kan inneholde mer enn én anodeblokk) vanligvis anbrakt i hver celle eller hvert kar i to motsatte rekker langs karets lengde. Det nøyaktige antall pr. kar og de aktuelle størrelser av anodene kan variere i stor utstrekning i forskjellige anlegg. Aluminiumoxyd, som er råmaterialet ved produksjon av aluminium, og andre tilsetningsmidler for elektrolysebadet blir nor-malt matet inn i "kanaler" eller åpne rom mellom to anoderekker, eller mellom en anoderekke og en celle, nærmere bestemt katodehulrommets sidevegg. Det fremstilte aluminium blir også tappet ut fra disse kanaler. Kanalene er vanligvis dekket av en størknet skorpe av badingredienser, og denne skorpe" må brytes opp før det underliggende smeltebad kan mates med aluminiumoxyd og andre tilsetningsmidler .

Ved nåværende praksis er det ikke uvanlig at man iblant reduserer kanalrommet for å redusere "uttrekking" fra siraltebadet, for å nedsette varmetap og minimere uønsket forflyktigelse eller fordampning av badingredienser, og dessuten ganske enkelt minske arbeidet med skorpeoppbryting. Dette innebærer imidlertid ikke

noen tilveiebringelse av ekstra anodeareal.

Formålet med oppfinnelsen er å gjøre fremstillingen av aluminiummetall mer effektiv ved å redusere det elektriske effektforbruk pr. kilo produsert metall, og å øke utbyttet av aluminiummetall fra en elektrolytisk celle med gitte dimensjoner.

Ovennevnte formål oppnås med en elektrolytisk celle for produksjon av aluminium, og som omfatter et katodehulrom og et antall anoder som rager ned i det nevnte hulrom, hvilken celle er kjennetegnet ved at anodene er innrettet for å tilveiebringe en minimumsklaring rundt i hovedsaken hele omkretsen av katodehulrommet og en minimumsklaring fra hverandre, idet det totale tverrsnittsareal av anodene ikke er mindre enn 85 % av tverrsnittsarealet av katodehulrommet, og idet det er levnet plass på ett eller flere utvalgte steder mellom anodene, eller mellom anodene og tilstøtende vegger av cellen, for tilførsel av aluminiumoxyd og andre tilsetningsmidler for elektrolysebadet.

Ved hjelp av arrangementet ifølge oppfinnelsen reduseres kanalrommet tilstrekkelig ved at det fylles med anoder, men tilstrekkelig åpen plass blir fremdeles opprettholdt for å tilføre aluminiumoxyden og tilsetningsmidlene og for å tappe ut det fremstilte aluminium.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et kjent elektrolytisk cellearrangement med et anodemellomrom mellom to rekker av anoder for matning av cellen og for uttapping av fremstilt aluminium, fig. 2 viser én mulig omordning av anodene i en sådan celle i overensstemmelse med prinsippene for oppfinnelsen, fig. 3 viser et annet kjent arrangement med sidekanaler for matning av cellen og uttapping av aluminium, og fig. 4 viser en annen mulig omordning av anodene i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Det kjente elktrolytiske cellearrangement som er vist

på fig. 1, omfatter et katodehulrom 10 med atten anoder 12 som har rektangulært tverrsnitt og hvor elektrodenes kortside er anordnet parallelt med den lengste side av hulrommet 10. Anode-mellomrommet 14 mellom de to rekker av anoder benyttes for tilførsel av råmaterialer til cellen og for uttapping av fremstilt aluminium.

I den utførelse av oppfinnelsen som er vist på fig. 2, er tolv anoder 16 anordnet i to rekker. Også her har anodene rektangulært tverrsnitt. Bortsett fra endeanodene er anodene anordnet med sin korteste side parallell med katodehulrommets langsider. Endeanodene er anordnet med sine kortsider parallelle med katodehulrommets kortsider slik at det ved hver ende levnes et anodemellomrom 18 for matning av cellen og for uttapping av fremstilt aluminium.

Fig. 3 likner fig. 1 med den unntagelse at anodene 12 er anordnet i to rekker som ligger nær opp til hverandre med en sidekanal 20 for matning og uttapping anordnet mellom hver lang-side av cellen og den tilstøtende anoderekke.

Ved den utførelse ifølge oppfinnelsen som er vist på fig. 4, er anoder som likner de som er benyttet i utførelsen på fig. 2, anordnet med mesteparten av sine kortsider parallelle med anodehulrommets langsider. De fire sentrale anoder er anordnet med sine kortsider parallelle med katodehulrommets kortsider slik at det levnes en mate- og uttappingskanal 22 på hver side av cellen.

Det vil være åpenbart at med anodene anordnet i overensstemmelse med oppfinnelsen økes det effektive anodetverrsnittsareal, og mate/tappe-arealet eller -kanalen reduseres sammenliknet med konvensjonell anodeanbringelse, hvor den størknede skorpe mellom anodene alltid brytes opp i hovedsaken langs hele lengden av karet.

Som en følge av den effektive økning av anodeoverflate-areal som tilveiebringes ved innsetting av anoder som er anordnet i overensstemmelse med oppfinnelsen, reduseres anodestrømtett-heten. Oppfinnelsen kan således sies å tilveiebringe en celle med lavere anodestrømtetthet som kan kjøres enten: med færre kilowatt-timer pr. kilo metall produsert med eksisterende strømstyrke, eller

med øket strømstyrke og derfor øket metallproduksjon uten økning av antall kilowatt-timer pr. kilo produsert metall.

Som foran nevnt, oppviser aluminiumutvinningsceller i overensstemmelse med oppfinnelsen meget ønskelige flate "metallputer". Slik det er generelt kjent, bidrar sistnevnte til å minske graden av erosjon av katodesideveggene og til å holde sådan erosjon mer ensartet. En flat metallpute letter også kontroll og optimalisering av anode-katode-avstandene. Det første oppnås på grunn av redusert turbulens i smeltebadet, det andre på grunn av at det er i hovedsaken bare et eneste metallnivå. Vanligvis oppviser metallputer en viss grad av krumning ved smelteoverflaten og nødvendiggjør dermed individuelle innstil-linger av posisjonene av forskjellige anodeblokker eller anodemon-tasjer i en vilkårlig gitt celle.

Grunnene til den foran nevnte flathet er komplekse og ikke fullt ut klarlagt. Det antas imidlertid at den magnetiske fluks ved katodeomkretsen i en aluminiumutvinningscelle er resul-tanten av to motstående magnetfelter, nemlig det felt som genereres av strøm som mottas av den ringformede samleskinne fra katoden og som har en kraftig vertikal komponent, og det felt som genereres av strømmen som flyter gjennom anodene og som har en kraftig horisontal komponent. Spesielt antas at fordelingen og styrken av den magnetiske fluks som genereres av anodene, er avhengig av av-standen mellom hver anode og spesielt av nærvær av en sentral kanal slik som på fig. 1. Anodekonfigurasjoner av de typer som er vist på fig. 3 og 4, tenderer ifølge sin natur mot flatere metallputer, og den beskrevne forbedring angår særlig fig. 2.

Ved en utvidelse av kanalen mellom anodene får den vertikale komponent av den magnetiske fluks større innflytelse, hvilket gir seg uttrykk i "topping" eller "krumming" av metallputen. Når derimot anodene anbringes nærmere hverandre slik som på fig.

2, styrkes omkretsen og motvirker således muligens den vertikale komponent nær katodeomkretsen, med resulterende utflating av metallputen.

Oftere oppbrytning over et mindre område med størknet skorpe reduserer temperaturfluktuasjoner og har den ytterligere fordel at den tillater drift ved lavere middeltemperaturer,

hvilket kan forbedre strømeffektiviteten.

Tilførsel av aluminiumoxyd og andre tilsetningsmidler i et forholdsvis lite område av cellen forårsaker ikke noen forde-lings- eller utskillingsproblemer på grunn av de sterke elektro-magnetiske omrøringseffekter i celler av Hall-typen. Selv om disse effekter reduseres i celler som benytter den foreliggende oppfinnelse, er de fremdeles tilstrekkelige for fordeling av badtilsetningsmidler.

Det foreslåtte arrangement med før-brente karbonanoder

kan like gjerne anvendes i kar eller celler som benytter SSderberg-elektroder dersom disse omformes til drift med før-brente anoder.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de utførelser som er vist på fig. 3 og 4, og det vil ligge innenfor en fagmanns kompetan-se å modifisere og anordne anodene i andre stillinger enn de som er vist, dersom dette ønskes.

Det følgende eksempel vil bidra til å illustrere de foran omtalte fordeler på grunnlag av sammenlikninger mellom forskjellige driftsparametre for en konvensjonell celle og en celle ifølge oppfinnelsen.

Eksampel

En celle av den generelle type som er vist på fig. 2, omfattende tolv anoder med tverrsnittsdimensjoner på 135 cm x 121 cm ble kjørt kontinuerlig i en kar-rekke med konvensjonelle celler omfattende atten anoder med tverrsnittsdimensjoner på 116 cm x 80 cm anordnet som vist på fig. 1, i en utstrakt periode. Den effektive økning av anodeareal for den modifiserte celle sammenliknet med den konvensjonelle celle var 17 %. Anodernellomrommet ble minsket med ca. 65 %. Dette arrangement øket det effektive anodeareal fra ca. 79,4 % av tverrsnittsarealet av katodehulrommet til ca. 9 3 % av arealet av katodehulrommet.

Typiske representative verdier for forskjellige driftsparametre er sammenliknet nedenfor for den konvensjonelle og den modifiserte celle:

Fra disse data er det åpenbart at man med en celle ifølge oppfinnelsen har oppnådd følgende:

(a) en reduksjon av strømtettheten på 17 %,

(b) en økning av strømvirkningsgraden på 2,0 %,

(c) en økning av antall kg aluminium produsert pr. celle pr.

dag på 15 kg eller 1,4 %,

(d) en reduksjon på 6,1 % av antall kilowatt-timer pr. kg

aluminium, og

(e) en reduksjon på 4,4 % i netto karbonforhold, sammenliknet med en liknende rekke celler drevet med konvensjonell anodestørrelsé og anodeplassering.

Claims (5)

1. Elektrolytisk celle for produksjon av aluminium, omfattende et katodehulrom og et antall anoder som rager ned i det nevnte hulrom, karakterisert ved at anodene (12; 16) er innrettet for å tilveiebringe en minimumsklaring rundt i hovedsaken hele omkretsen av katodehulrommet (10) og en minimumsklaring fra hverandre, idet det totale tverrsnittsareal av anodene (12; 16) ikke er mindre enn 85 % av tverrsnittsarealet av katode-hulrommet (10), og idet det er levnet plass på ett eller flere utvalgte steder (18 eller 20; 22) mellom anodene (16), eller mellom anodene (12) og tilstøtende vegger av cellen, for tilførsel av aluminiumoxyd og andre tilsetningsmidler for elektrolysebadet.

2. Elektrolytisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at anodene (16) er anordnet i to rekker med anodene i hver rekke i umiddelbar nærhet av anodene i den andre og nært inntil katodehulrommets (10) side, med den unntagelse at et anodemellomrom (18) for mating og uttapping er tilveiebrakt mellom de to anoder (16) ved hver ende av katodehulrommet (10).

3. Elektrolytisk celle ifølge krav 2, karakterisert ved at alle anoder (16) har rektangulært tverrsnitt og samme dimensjoner, og at de andre anoder enn endeanodene har sine kortsider parallelle med katodehulrommets (10) langsider, og endeanodene har sine kortsider parallelle med anode hulrommets (10) kortsider.

4. Elektrolytisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at anodene er anordnet i to rekker med anodene i hver rekke nært inntil anodene i den andre rekke og nært inntil katodehulrommets side, med unntagelse av at et rom (22) for matning og uttapping er anordnet på minst én av katode-rommets langsider mellom minst én anode som ikke er en ende-anode og den tilstøtende side av hulrommet.

5. Elektrolytisk celle ifølge krav 4, karakterisert ved at et rom (22) for matning og uttapping er anordnet på hver av katodehulrommets langsider,og at alle anoder har rektangulært tverrsnitt og samme dimensjoner, og at de andre anoder enn de som grenser til mate- og tapperommene (22), har sine kortsider parallelle med katodehulrommets langsider og anodene som grenser til mate- og tapperommene (22) , har sine kortsider parallelle med katodehulrommets kortsider.