NO151472B - Elektrolysecelle for for fremstilling av aluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne oksyd vanligvis i en fluoridsmelte, som hovedsakelig består av kryolitt (Na^AlF^). Det utskilte aluminium på katodesiden samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder, som ved den vanlige fremgangsmåte består av amorft karbon. Ved karbonanodene oppstår det oksygen ved den elektrolyttiske spaltning av aluminiumoksydet, og dette oksygen reagerer med karbon-materialet i anodene til dannelse av CO og CC>2. Elek-trolysen finner sted i et temperaturområde fra omkring 940 til 975°C.

Det kjente prinsipp for en konvensjonell aluminium-elektrolysecelle med forinnbrente karbonanoder fremgår av den vedføyde fig. 1, som viser et vertikalsnitt i lengde-retningen gjennom en del av en elektrolysecelle. Et stålkar 12, som innvendig er foret med en termisk isola-sjon 13 av varmebestandig, varmedemmende material samt med karbon-mater lal 11, inneholder fluoridsmelte 10 som utgjør cellens elektrolytt. Det katodisk utskilte aluminium 14 ligger på cellens karbonbunn 11. Overflaten 16 av det flytende aluminium utgjør herunder cellens katode.

I karbonforingen 11 er det på tvers av cellens lengderetning innlagt katodestaver 17 av jern, som fører den elektriske likestrøm sideveis ut fra cellens karbonforing 11.

Ned i fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbon, som fører likestrøm til elektrolytten. Disse anoder er over anodestenger. 19 og festeinnretninger 20 fast forbundet med en bærende anodebjelke 21. Elektrolysestrømmen flyter fra katodestavene 17 i en første celle gjennom ikke viste strømskinner til anodebjelken 21 i en påfølgende celle. Fra anodebjelken 21 flyter strømmen videre gjennom anodestengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonforingen 11 til katodestavene 17.

Elektrolytten 10 er dekket av en skorpe 22 av størknet smelte samt et aluminiumoksydskikt 23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10 og den størknede smelte 22 dannes, under drift hulrom 25. Ved sideveggene av karbonforingen 11 dannes det likeledes en skorpe av størknet elektrolytt, nemlig skorpekanten 24. Denne skorpekant 24 er medbestemmende for den horisontale utstrekning av badet, som består av flytende aluminium 14 og elektrolytten 10.

Avstanden d fra undersiden 26 av anodene til aluminium-overflaten 16, som også kalles interpolaravstand, kan forandres ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av drivverket 27, som er montert på søyler 28. Når drivverket 27 er i gang heves eller senkes samtlige anoder samtidig. Anodene kan dessuten høydeinnstilles hver for seg ved hjelp av de anordnede festeinnretninger 20 på anodebjelken 21.

Som følge av reaksjonen med det frigjorte oksygen under elektrolyseprosessen forbrukes på anodenes underside i ca. 1,5 til 2 cm anodemateri al pr. dag, alt etter celle-typen. '

Samtidig vil også overflatenivået av det flytende aluminium i cellen også stige ca. 1,5 til 2 cm pr. dag. Under elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten på aluminiumoksyd, og ved en nedre konsentrasjon på 1 til 2 vekt% aluminiumoksyd i elektrolytten oppstår det såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en plutselig spen-ningsstigning fra normalt 4 til 4,5 volt til 30 volt eller mer. Senest når dette inntreffer må skorpen gjenn-ombrytes og aluminiumoksydkonsentrasjonen økes ved til-førsel av nytt aluminiumoksyd.

Cellen betjenes vanligvis periodisk under normal drift, også når det ikke foreligger anodeeffekt. Dessuten må, som ovenfor angitt, skorpen av størknet smelte gjennom-brytes ved hver anodeeffekt, samtidig som aluminiumoksyd-konsentr as jonen økes ved tilsats av nytt aluminiumoksyd, hvilket utgjør en cellebetjening. En anodeeffekt er således under cellens drift alltid forbundet med en cellebetjening, som til forskjell fra en normal cellebetjening betegnes som "anodeeffektbetjening".

Det elektrolyttisk frembrakte aluminium 14 som samler seg på cellens karbonbunn 15, fjernes vanligvis en gang dag-lig fra cellen ved hjelp av en uttaksanordning.

Ved cellebetjening har det gjennom mange år vært vanlig å bryte skorpen av størknet smelte mellom anoden og elektrolysecellens sidekant, samt å tilføre nytt aluminiumoksyd gjennom skorpehullet. Denne fremgangsmåte, som ennå anvendes i stor utstrekning, møter imidlertid tiltagende kritikk på grunn av at den medfører forurensning av luften i elektrolysehallen og den ytre atmosfære. Kravene til innkapsling av elektrolyseovnen og behandling av avgassene er i løpet av de siste år i tiltagende grad blitt til en tvingende nødvendighet. En maksimal til-bakeholdning av elektrolysegassene ved innkapsling kan imidlertid ikke sikres når cellebetjeningen finner sted mellom anodene og cellens sidekant.

I den senere tid har man derfor ved aluminiumfremstilling i stadig større grad gått over til cellebetjening i midt-en langs cellens lengdeakse. Etter gjennombrudd av skorpen finner oksydtilførselen sted enten lokalt og kontinuerlig etter "punkttilførsel"-systemet eller ikke kontinuerlig og fordelt over hele cellens lengdeakse.

Flere års erfaringer med betjening av elektrolyseceller i deres midtområde har vist at dette medfører følgende ulemper:

dårlig oppløsning av den tilførte oksyd

- kraftig dannelse av bunnslam

hård skorpe på karbonbunnen langs katodens lengdeakse vanskelig eller umulig dannelse av sidekanter.

Ved cellebetjening midt i elektrolysecellen danner det seg på det sted hvor aluminiumoksyd tilføres, først et ikke isolerende slam, som imidlertid etterhvert kan gå over i en elektrisk isolerende skorpe. Dette medfører uregelmessig celledrift bg forkortet levetid for elektrolysecellen, særlig på grunn av nedbrytning av karbonkato-dens sidevegger. Denne nedbrytning er en følge av beveg-elser i metallet frembrakt av magnetiske virkninger som på sin side skriver seg frå sterke lokale strømtetthets-forskjeller.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en sådan celle for fremstilling av aluminium ved hjelp av smelteelektrolyse at de ovenfor angitte ulemper overvinnes og det sikres en optimal oppløsning av tilført aluminiumoksyd såvel som optimal strømtetthets-fordeling i metallet,' samtidig som det også tas hensyn til driftsøkonomiske synspunkter og naturverninteresser.

Oppfinnelsen gjelder således en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse, idet cellen har vesentlig større lengde enn bredde og omfatter en anodebjelke med anoder anordnet i to rekker i cellens lengderetning, samt cellens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at det for betjening av cellen er anordnet minst ett mellomrom som strekker seg på tvers av cellens lengdeakse mellom to anoder i aktive metallstrøm-ningssoner med gunstig katodisk strømfordeling.

De utførte forsøk som ligger til grunn for foreliggende oppfinnelse, har vist at det er fordelaktig å utnytte den metallibevegelse som finner sted i elektrolysecellen, til å oppnå en optimal oppløsning av det tilførte aluminiumoksyd. Ut fra de undersøkte og målte elektromagnetiske felter i elektrolyseovner eller celler med tidligere kjent cellebetjening, er det fastslått at metallbevegelsene i elektrolysebadet i de fleste ovner øker med avstanden fra ovnens lengdeakse.

På den anne side har den måte oksydet tilsettes på i seg selv en ikke ubetydelig innflytelse på metallbevegelsene i cellen. En meget sterk oksydtilførsel på et vilkårlig sted kan forandre eller nøytralisere metallbevegelsene i elektrolysecellen, idet metallsmeltens viskositet derved økes sterkt og den tilsvarende del av katoden praktisk talt isoleres elektrisk. Som en ytterligere følge av en delvis elektrisk isolert katode, kan det oppstå lokale virvler, som har til følge en uønsket erosjon av katode-blokkene og/eller cellens karbonkant.

På tross av at det er utviklet kunnskap om metallbevegelsene og det er tatt hensyn til disse, samt visse bemerk-elsesverdige forbedringer er oppnådd, har det hittil ikke lykkes å finne et slikt hensiktsmessig innsug ved side-kanten av midtbetjente celler som kan sikre en godtagbar levetid for katoden.

Undersøkelser utført i forbindelse med foreliggende oppfinnelse har imidlertid vist at sådanne innsug f.eks. er avhengig av en eller flere av følgende faktorer:

stedet for cellebetjening

lokal avkjøling av karet

metallsirkulasjon

badtilsatser.

Metallsirkulasjonen eller metallbevegelsen er meget sterkt avhengig av viskositeten av det dannede slam, således at vedkommende bevegelse påvirkes like sterkt av stedet for cellebetjeningen som de magnetiske virkninger.

Ved cellebetjening i cellens eller ovnens midtområde opp-trer det en nøytral sone som faller sammen med betjen-ingsaksen, mens hovedstrømningen forløper langs karets sidekanter. Disse strømningsforhold er meget ugunstige med hensyn til fjerning av oksydavleiringer langs be-tjeningsaksen. Strømningene fremmer også nedbrytning av sidekantene samt avleiring av oksyd i karets hjørner.

Den lokale avkjøling av karet finner normalt sted på cellebetjeningsstedene. En kunstig avkjøling av sidekantene ville være ufordelaktig for det elektriske energiforbruk.

Tilsats av fluorerte salter av typen LiF eller MgF£ motvirker dannelse av innsug, da forskjellen mellom bad-ets temperatur og størkningstemperaturen økes.

Ved hensiktsmessige utførte modifikasjoner av ferdige ovner kan aluminiumoksydet etter gjennombrudd av skorpen i henhold til oppfinnelsen tilføres langs minst en tverr-akse i et utvidet mellomrom mellom to anoder. Dette mellomrom utgjør således et betjeningsområde. Ved en vanlig, allerede ferdig elektrolysecelle tillater fjerning av to innbyrdes motstående anoder på hver sin side av lengdeaksen, samt hensiktsmessig forskyvning av de øvrige anoder opprettelse av mer enn ett betjeningsområde som strekker seg over hele cellens bredde, således at aluminiumoksyd kan tilføres i ovnens tverretning. Disse modifikasjoner av anodeanordningen kan utføres uten at ovnen settes ut av drift.

I hvert således dannet betjeningsområde på tvers av ovnens lengdeakse er det mulig å bryte igjennom skorpen og til<*>føre aluminiumoksyd. Takket være de tallrike muligheter for å anordnet sådanne betjeningsområder kan aluminiumoksydet tilføres de aktive metallstrømningssoner optimalt, hvilket sikres en rask oppløsning. Også dannelse av et naturlig innsug ved sidekantene fremmes ved tverrbetjening av cellen. Et sådant innsug fremmes av metallsirkulasjonen på samme måte som ved ovner med konvensjonell sidebetjening.

Særlig fordelaktig er det ved en elektrolysecelle i henhold til oppfinnelsen å anordne tre betjeningsområder som strekker seg over hele ovnsbredden, og som ved en mer eller mindre asymmetrisk plassering tillater en alumi-niumoksydtilførsel som frembringer en optimal metallsirkulasjon.

Denne foretrukkede utførelseform har f.eks. følgende for-deler fremfor en midtbetjent ovn: seks tilførselssoner for aluminiumoksyd økning av kjøleflatene

modifikasjonsmuligheter for metallbevegelsene tilførsel av aluminiumoksyd nærmere sidekantene

(metallbevegelse)

dannelse av naturlige innsug

- minskning av avstanden mellom de to anoderekker i elektrolysecellens lengderetning.

En ytterligere fordel ved foreliggende oppfinnelse består i at det ikke er nødvendig å fremstille spesielle anoder, anodebærere eller anodebjeiker. Fr a en ferdig elektrolysecelle, f.eks. en celle med en nominell strøm på 140 kA samt utrustet med kalsinerte anoder, kan det fjernes minst en vilkårlig anode, fortrinnsvis imidlertid minst to innbyrdes motstående anoder. Alt etter behov kan så de øvrige anoder forskyves langs anodebjelken for dannelse av tverrbetjente mellomrom eller betjeningsområder. Antallet betjeningsområder er fortrinnsvis det dobbelte av eller tre ganger antallet fjernede anoder.

Over eller i de nevnte tverrbetjente mellomrom kan det anordnes i og for seg kjente, automatiske arbeidende gjennombrudds- og/eller oksydtilførselsinnretninger.

Skorpens gjennombrytning kan også finne sted ved hjelp av bevegelige slaginnretninger eller kjøretøyer som er uav-hengig av cellen, mens oksydtilførselen likeledes even-tuelt kan utføres ved hjelp av celle-uavhengige tilførs-elsinnretninger. Dette har den fordel at betraktelige innvesteringsomkostninger kan spares, når sådant utstyr allerede foreligger i anlegget.

Ved de regelmessig opptredende anodeeffekter under alu-miniumelektrolyse kan de fremdeles benyttede trestenger lett innføres i de tverrbetjente mellomrom, hvilket inne-bærer en stor arbeidslettelse sammenliknet med midtbetjente ovner.

Alle kjente systemer for innkapsling av cellen, og som er påkrevet eller ønskelig av arbeidshygeniske eller øko-logiske grunner, egner seg også prinsippielt for tverr-bet jente ovner.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: Fig. 2 viser et horisontalsnitt gjennom en modifisert tverrbetjent ovn på 140 kA, Fig. 3 viser et vertikalsnitt i cellens lengderetning langs linjen III-III i fig. 2.

Den modifiserte celle eller ovn som er vist i fig. 2 er utført for en nominell elektrolysestrøm på 140 kA samt utstyrt med kalsinerte anoder og et stålkar 12 foret med varmebestandig og varmeisolerende material 13 samt et karbonskikt 11. Elektrolysecellen omfatter tolv anodepar 18, som etter fjerning av et anodepar fra den opprinne-lige ovn er forskjøvet langs anodebjelken og omgruppert. Derved er det dannet mellomrom eller betjeningsområder som forløper på tvers av elektrolysecellens langside. Over eller i hvert mellomrom er det anordnet en gjennombrudds an ordn ing 29, som kan kompletteres med en ikke vist oksydtilførselsinnretning.

Overfor den celleutførelse som er vist i fig. 1 og repre-senterer teknikkens stilling, oppviser fig. 3 følgende forandringer : utvidet mellomrom mellom annen og tredje anode for

dannelse av betjeningsområdet

en gjennombrudds- og tilførselsinnretning festet på

anodebjelken og anordnet i eller over det utvidede mellomrom.

En drivinnretning 30 er anordnet for gjennombrudd av skorpen 22 ved hjelp av en meisel 29 som strekker seg langs hele anodelengden, og kan være manuell betjent eller automatisk styrt. Etter gjennomslag av skorpen åpnes sideklaffer 31 på en aluminiumoksydbeholder 32, som også strekker seg over hele anodens lengdeutstrekning, således at en del av det aluminiumoksyd 33 som er lagret i beholderen, kan strømme ut over det område hvor skorpen er gjennombrutt.

Skjønt badet bare kan tilføres aluminiumoksyd på de tverrbetjente gjennomslagssteder, er skorpen 22 over hele cellen dekket med et aluminiumskikt 23, hvilket sikrer en optimal varmehusholdning for ovnen.

Den nedre del av den størknede sidekant 24, som kontinuerlig.går over i skorpen 22, danner ved den tverrbetjente ovn et godt utformet innsug 34.

For å gjøre fig. 3 oversiktlig, er elektrolysecellens innkapsling utelatt på figuren, da den konstruktive ut-førelse av innkapslingen ikke oppviser noe nytt overfor kjent teknikk.

Claims (5)

1. Elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse, idet cellen har vesentlig større lengde enn bredde og omfatter en anodebjelke (21) med anoder (18) anordnet i to rekker i cellens lengderetning, karakterisert ved at det for betjening av cellen er anordnet minst ett mellomrom som strekker seg på tvers av cellens lengdeakse mellom to anoder (18) i aktive metallstrømningssoner med gunstig katodisk strøm-fordeling.

2. Elektrolysecelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at et like antall betjeningsområder danner minst ett mellomrom som forløper mellom to anodepar (18) over cellens hele breddeutstrek-ning.

3. Elektrolysecelle som angitt i krav 2, karakterisert ved at cellen er utstyrt med tre mellomrom som forløper over hele cellens bredde-utstrekning.

4. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at det i hvert mellomrom er anordnet en gjennombrudds- og/eller oksydtilførs-elsinnretning (29) med mulighet for automatisk drift.

5. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at cellen er innkapslet og forsynt med et gassavtrekk.