NO159671B - ELECTROLYCLE CELL FOR EXTRACTION OF ALUMINUM. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en elektrolysecelle til utvinning The invention relates to an electrolysis cell for recovery

av aluminium, omfattende anoder som under drift dykker ned i en smelteelektrolytt, en katode som omfatter en cellebunn som vesentlig består av grafittblokker som strekker seg over bredden av cellen og som under drift er belagt med et lag av flytende aluminium og hvor det er innført katodiske strømtil-førselsledere i grafittblokken, samt med et kar som omgir cellebunnen og under drift smelteelektrolytten. of aluminium, comprising anodes which during operation dip into a molten electrolyte, a cathode which comprises a cell base consisting essentially of graphite blocks extending across the width of the cell and which is coated during operation with a layer of liquid aluminum and where cathodic current supply conductors in the graphite block, as well as with a vessel that surrounds the cell base and, during operation, the molten electrolyte.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminium-oksyd etter Hall-Heroult-metoden er oksydet oppløst i en smelte vesentlig bestående av kryolitt. Det fraskilte aluminium samler seg på cellebunnen under kryolittsmelten og danner cellens katodiske overflate. Anodene av karbon som dykker ned i kryolittsmelten, blir under elektrolyseprosessen stadig forbrukt ved oksydasjon til karbondioksyd og karbonmonoksyd, og forbruket blir kompensert ved forskyvning av anoden i retning mot katoden og sluttelig innføring av nye anoder. Cellebunnen, som likeledes består av karbon, og som aluminiumskiktet samler seg på, deltar ikke i de elektrokjemiske reaksjoner og er i prinsippet ubegrenset holdbar. I virkeligheten undergår karbonet i bunnen For the extraction of aluminum by electrolysis of aluminum oxide according to the Hall-Heroult method, the oxide is dissolved in a melt essentially consisting of cryolite. The separated aluminum collects on the cell bottom under the cryolite melt and forms the cell's cathodic surface. During the electrolysis process, the carbon anodes that sink into the cryolite melt are constantly consumed by oxidation to carbon dioxide and carbon monoxide, and the consumption is compensated by shifting the anode towards the cathode and finally introducing new anodes. The cell base, which also consists of carbon, and on which the aluminum layer accumulates, does not participate in the electrochemical reactions and is in principle indefinitely durable. In reality, the carbon sinks to the bottom

i kontakt med aluminiumsmelten en gradvis omdannelse, hvis følger - deformasjon av katode-celledelen ved dannelse av alu-miniumkarbid og grafittinnleirings-forbindelser, økning av ovn-spenning og forurensninger av aluminimsmelten - til slutt gjør det nødvendig å koble cellen fra og fornye ovnsbunnen. Det trenger ingen nærmere forklaring at utfall av elektrolyseceller influerer vesentlig på produksjonen og omkostningene ved en aluminiumelektrolyse, og det har derfor ikke manglet på forsøk på å øke cellenes levetid. Cellebunnens holdbarhet er bl.a. in contact with the aluminum melt a gradual transformation, the consequences of which - deformation of the cathode cell part due to the formation of aluminum carbide and graphite embedding compounds, increase of furnace voltage and contamination of the aluminum melt - eventually make it necessary to disconnect the cell and renew the furnace bottom. It needs no further explanation that the failure of electrolysis cells significantly influences the production and costs of aluminum electrolysis, and there has therefore been no lack of attempts to increase the life of the cells. The durability of the cell base is, among other things,

også en funksjon av stoffsammensetningen av de blokker som bunnen er oppbygget av. Relativt gunstig forholder seg blokker som vesentlig består av grafitt, som er beskrevet anvendt til dette formål f.eks. i US-A 3 369 986. Grafittblokker blir mindre sterkt angrepet av alkalier, undergår tilsvarende mindre volum-endringer under elektrolysecellens drift og har dessuten et forholdsvis lavt spenningsfall som bare stiger langsomt under elektrolysen. Denne gunstige effekt blir fremfor alt oppnådd also a function of the material composition of the blocks from which the base is built. Relatively favorable are blocks which essentially consist of graphite, which have been described as being used for this purpose, e.g. in US-A 3,369,986. Graphite blocks are less strongly attacked by alkalis, undergo correspondingly smaller volume changes during the operation of the electrolysis cell and also have a relatively low voltage drop which only rises slowly during electrolysis. This beneficial effect is above all achieved

med blokktyper som vesentlig består av grafitt, spesielt også med blokker av karbonbundet grafitt (semigrafitt), som i det følgende likeledes vil bli betegnet som grafitt. with block types that essentially consist of graphite, especially also with blocks of carbon-bound graphite (semi-graphite), which in the following will also be referred to as graphite.

Karbon- eller grafittblokkene som danner cellebunnen, er The carbon or graphite blocks that form the cell base are

i alminnelighet forsynt med spor hvor strømledere, f.eks. katode-staver av jern, er innlagt og forbundet med blokkene ved hjelp av fyllmasse innstøpt eller -stampet i de revnede fuger. Som fyllmasse anvender man temperaturbestandig og elektrisk strøm-ledende kitt- og stampemasser eller fremfor alt støpejern. Be-festigelsen av strømlederne er ikke bare arbeidskrevende, men der kan i blokkene på grunn av de sjokkartede temperaturforandringer utvikles mekaniske spenninger som skader blokkenes struktur. Også ved oppvarmningen av bunnen til elektrolysecellens driftstemperatur oppstår der, på grunn av de store for-skjeller i varmeutvidelse mellom blokk og strømtilførsel, be-traktelige mekaniske spenninger i cellebunnen, likeledes med mulighet for å utløse sprekker. Aluminiumsmelten som samler seg på cellebunnen, kommer gjennom slike sprekker raskt i kontakt med jernet i strømtilførselslederne, som dermed blir opp-løst i smeiten. Den raske stigning i aluminiumsmeltens jern-innhold er et tegn på denne prosess, som sluttelig fremtvinger frakobling av cellen. generally provided with tracks where current conductors, e.g. cathode rods of iron, are inserted and connected to the blocks by means of filler cast or stamped into the cracked joints. Temperature-resistant and electrically conductive putty and tamping compounds or, above all, cast iron are used as fillers. The fastening of the current conductors is not only labor-intensive, but mechanical stresses can develop in the blocks due to the shock-like temperature changes which damage the blocks' structure. Also when the base is heated to the electrolysis cell's operating temperature, due to the large differences in thermal expansion between block and power supply, considerable mechanical stresses occur in the cell base, likewise with the possibility of triggering cracks. The aluminum melt that accumulates on the bottom of the cell, through such cracks, quickly comes into contact with the iron in the power supply conductors, which is thus dissolved in the smelt. The rapid increase in the iron content of the aluminum melt is a sign of this process, which ultimately forces the cell to disconnect.

Under elektrolysecellens drift flyter elektrolysestrømmen med utgangspunkt i karbonanodene gjennom kryolittsmeiten praktisk talt i vertikal retning, trer så inn i det smelteflytende aluminiumskikt, som har vesentlig større elektrisk ledningsevne, og blir i dette preferert avbøyet i retning mot ovnssidene. Den horisontale strømkomponent bevirker i forbindelse med den verti-kale komponent av magnetfeltet ugunstige deformasjoner av metall-badets overflate og en sirkulasjonsbevegelse av aluminiumsmelten, hvorved der i tilfellet av kort polavstand mellom katode og anode kan bli reoksydert aluminium. En minskning av strøm-utbyttet kan derfor i alminnelighet bare forhindres ved økning av elektrodeavstanden, hvorved cellespenningen selvsagt stiger. Det har vært foreslått å eliminere eller i det minste svekke denne for energiregnskapet ugunstige effekt ved gradiell end-ring av motstanden i cellebunnen. Fra DE-A 2 0 61 2 63 er det kjent å utjevne strømtettheten av elektrolysestrømmen ved at man lager bunnen av blokker med forskjellig elektrisk motstand. Motstandsgradienten blir f.eks. innstilt ved at der i midten During the operation of the electrolysis cell, the electrolysis current flows from the carbon anodes through the cryolite forge practically in a vertical direction, then enters the molten aluminum layer, which has significantly greater electrical conductivity, and is preferentially deflected in the direction towards the sides of the furnace. The horizontal current component causes, in connection with the vertical component of the magnetic field, unfavorable deformations of the surface of the metal bath and a circulation movement of the aluminum melt, whereby in the case of a short pole distance between cathode and anode, aluminum can be reoxidized. A reduction in the current yield can therefore generally only be prevented by increasing the electrode distance, whereby the cell voltage naturally rises. It has been proposed to eliminate or at least weaken this unfavorable effect for the energy account by gradually changing the resistance in the cell base. From DE-A 2 0 61 2 63 it is known to equalize the current density of the electrolytic current by making the bottom of blocks with different electrical resistance. The resistance gradient becomes e.g. set by that there in the middle

av bunnen plasseres grafittblokker med liten spesifikk elektrisk motstand og ved randen av bunnen anbringes karbonblokker med relativt stor elektrisk motstand. Dette forslag er ugunstig forsåvidt som anvendelsen av blokker som er forskjellige med hensyn til elektrisk motstand, utelukker bruk av blokker som strekker seg på tvers over hele ovnsbunnen. Bruk av mindre blokker øker antallet av fuger og dermed sannsynligheten for gjennom-brudd til strømtilførselslederne av jern. of the bottom, graphite blocks with low specific electrical resistance are placed and carbon blocks with relatively high electrical resistance are placed at the edge of the bottom. This proposal is disadvantageous inasmuch as the use of blocks differing in electrical resistance precludes the use of blocks extending transversely over the entire furnace bottom. The use of smaller blocks increases the number of joints and thus the probability of a breakthrough to the iron power supply conductors.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å forlenge levetiden av cellebunnen hos en elektrolysecelle til fremstil-ling av aluminium, minske spenningsfallet i cellebunnen og så-vidt mulig hindre lokale variasjoner i strømtetthet. The invention is based on the task of extending the life of the cell base of an electrolysis cell for the production of aluminium, reducing the voltage drop in the cell base and, as far as possible, preventing local variations in current density.

Denne oppgave løses med en elektrolysecelle av den inn-ledningsvis nevnte art som er kjennetegnet ved at der i uttagninger i endene av blokkene er innført grafittstaver som er ført gjennom cellens sidebegrensning for strømtilførsel. This task is solved with an electrolysis cell of the type mentioned at the outset, which is characterized by the fact that graphite rods are inserted in sockets at the ends of the blocks, which are passed through the cell's side limit for power supply.

Grafittstavene til strømtilførsel kan ha vilkårlig tverr-snitt, dog fortrinnsvis sirkelformet. Stavene er med en ende innført i uttagningene i endene av grafittblokkene, og disse uttagninger såvel som den del av strømtilførselslederne som griper inn i dem, er hensiktsmessig utført koniske. The graphite rods for power supply can have any cross-section, although preferably circular. The rods are inserted at one end into the recesses at the ends of the graphite blocks, and these recesses, as well as the part of the power supply conductors which engage in them, are appropriately made conical.

I henhold til oppfinnelsen foretrekkes en skrueforbindelse hvor uttagningen og den del av strømtilførselslederen som griper inn i den, begge har gjenger og er skrudd sammen innbyrdes. I en annen utførelsesform benyttes som forbindelseselement en særskilt skrunippel som griper inn i fatninger i endeflaten av grafittblokken og strømtilførselsstaven og er skrudd sammen med disse. According to the invention, a screw connection is preferred where the socket and the part of the power supply conductor which engages in it both have threads and are screwed together. In another embodiment, a special screw nipple is used as a connecting element which engages in sockets in the end surface of the graphite block and the power supply rod and is screwed together with these.

Fordelaktig er også tilleggsforbindelsen for strømtil-førselsstavene utført av grafitt og grafittblokkene forsynt med en karbonholdig kontaktmasse som forkokser ved opphetnii jen av skjøtestedet, danner en bro mellom delene og senker over-gangsmotstanden. En egnet masse til dette formål inneholdende epoksydharpiks og tjære som bindemiddel samt grafitt- og metall- Advantageously, the additional connection for the current supply rods is made of graphite and the graphite blocks are provided with a carbonaceous contact mass which cokes when the joint is heated, forms a bridge between the parts and lowers the transition resistance. A suitable mass for this purpose containing epoxy resin and tar as binder as well as graphite and metal

pulver, er beskrevet i DE-A 29 4 2 4 69. powder, is described in DE-A 29 4 2 4 69.

Strømtilførselsstavene er ført gjennom gjennombrytninger The power supply rods are routed through openings

i den av karbonstener oppbyggede cellevegg, i det mellom cellevegg og kar anordnede skikt av termiske isolasjonsstoffer og i karet som begrenser cellen, og den del av grafittstaven som rager ut av karet, er hensiktsmessig forsynt med et metallskikt som forhindrer oksydasjon av de hete grafittstaver og senker den elektriske kontaktmotstand mellom staven og strømskinnene eller -barrene. Egnede metaller er f.eks. kobber eller aluminium, som kan påføres grafittstavens overflate på kjent måte, f.eks. ved flamme- eller plasmasprøyting. Fordelaktig er også en særskilt kjøling av grafittstavene, f.eks. med en kjølemantel som er påflenset cellekaret og omslutter grafittdelen. Ved kjølingen blir grafittens temperatur senket under den for oksydasjonen kritiske verdi, og tillike er det mulig å regulere varmestrømmen i en viss grad ved å innvirke på mengden av kjølemiddelet. Strøm-tilf ørselsstavene er skrudd sammen med barreformede strømledere direkte eller via fleksible metallbånd. in the cell wall built up of carbon stones, in the layer of thermal insulation substances arranged between the cell wall and the vessel and in the vessel that limits the cell, and the part of the graphite rod that protrudes from the vessel, is appropriately provided with a metal layer that prevents oxidation of the hot graphite rods and lowers the electrical contact resistance between the rod and the current rails or bars. Suitable metals are e.g. copper or aluminium, which can be applied to the surface of the graphite rod in a known manner, e.g. by flame or plasma spraying. A special cooling of the graphite rods is also advantageous, e.g. with a cooling jacket which is flanged to the cell vessel and encloses the graphite part. During the cooling, the temperature of the graphite is lowered below the critical value for oxidation, and at the same time it is possible to regulate the heat flow to a certain extent by affecting the quantity of the coolant. The power supply rods are screwed together with bar-shaped current conductors directly or via flexible metal bands.

Den elektrolysecelle til utvinning av aluminium som oppfinnelsen gir anvisning på, har en rekke fordeler fremfor kjente celler. Takket være anvendelsen av et mer korrosjonsfast mate-riale og anvendelsen av strømtilførselsledere av samme materi-ale, blir cellebunnens levetid øket, den bedre dimensjonsstabi-litet muliggjør mindre interpolaravstander og dermed mindre energiforbruk, og forurensninger av aluminiumsmelten med jern er praktisk talt ikke mulig. Å anvende grafittblokker for bunnen av elektrolyseceller er riktignok kjent, men da disse blokker inneholder strømtilførselsledere i form av barrer eller nipler av jern, blir der ved innstøpningen av elementene til strømtil-førsel og fremfor alt også ved idriftsettelsen av cellen på grunn av materialforskjellene i blokkene indusert mekaniske spenninger som i siste omgang forårsaker en ikke alltid til-fredsstillende levetid av cellebunnen. Det samme gjelder for elektrolyseceller hvis bunn dannes av karbonblokker i hvis endeflate der griper inn strømtilførselsledere av stål (Moore, P.E., Vadla, J.J., Fall Meeting Metallurgical Society AIME, oktober 19 63). Cellebunner av denne art oppviser de ovenfor omtalte mangler, og den forholdsvis høye elektriske motstand fører dessuten til en sterkt erosjon av karbonblokkene ovenfor strømtil-førselsstedet. Denne erosjon blir ved en oppbygning av cellebunnen med grafittblokker i samsvar med oppfinnelsen fullstendig unngått, isteden blir der over hele bunnflaten oppnådd en nesten konstant strømtetthet. The electrolysis cell for extracting aluminum which the invention provides instructions for has a number of advantages over known cells. Thanks to the use of a more corrosion-resistant material and the use of power supply conductors made of the same material, the lifetime of the cell base is increased, the better dimensional stability enables smaller interpolar distances and thus less energy consumption, and contamination of the aluminum melt with iron is practically not possible. Using graphite blocks for the bottom of electrolysis cells is certainly known, but as these blocks contain power supply conductors in the form of iron ingots or nipples, there is a power supply during the embedding of the elements and, above all, also during the commissioning of the cell due to the material differences in the blocks induced mechanical stresses which ultimately cause a not always satisfactory lifetime of the cell base. The same applies to electrolytic cells whose bottom is formed by carbon blocks in the end face of which steel power supply conductors engage (Moore, P.E., Vadla, J.J., Fall Meeting Metallurgical Society AIME, October 19 63). Cell bottoms of this type exhibit the above-mentioned defects, and the relatively high electrical resistance also leads to severe erosion of the carbon blocks above the current supply point. This erosion is completely avoided by constructing the cell bottom with graphite blocks in accordance with the invention, instead an almost constant current density is achieved over the entire bottom surface.

Et eksempel på oppfinnelsesgjenstanden vil i det følgende bli belyst under henvisning til tegningen, som viser et skjema-tisk snitt. Elektrolysecellens bunn begrenses av stålkaret 1 som varmeisolasjonsskiktet 2 ligger an imot. Grafittblokker 3 danner den egentlige ovnsbunn, og på denne samler seg et skikt An example of the object of the invention will be explained in the following with reference to the drawing, which shows a schematic section. The bottom of the electrolysis cell is limited by the steel vessel 1 against which the thermal insulation layer 2 rests. Graphite blocks 3 form the actual oven bottom, and a layer accumulates on this

4 av smelteflytende aluminium som tjener som katodeoverflate. 4 of molten aluminum which serves as the cathode surface.

I skiktet 5 av smeltet elektrolytt rager karbonelektroder 6 ned. Celleveggen 7 danner sidebegrensning for smeltebadet og cellebunnen. Endeflatene 8 av grafittblokkene 3 har anlegg mot celleveggen 7 og er forsynt med gjengefatninger 9, hvori der er innskrudd motsvarende gjengede grafittstaver 10 for strøm-tilførsel. Stavene 10 er ført gjennom gjennombrytninger i cellevegg, varmeisolasjonsskikt og stålkar og ved sine ender 11 skrudd sammen med strømskinner eller lignende. Forskruingen, metallbelegget på grafittstavene og eventuelle kjøleanordninger i anlegg mot stavene er ikke vist på tegningen. In the layer 5 of molten electrolyte, carbon electrodes 6 project down. The cell wall 7 forms a lateral boundary for the melt bath and the cell bottom. The end surfaces 8 of the graphite blocks 3 have contact with the cell wall 7 and are provided with threaded sockets 9, into which correspondingly threaded graphite rods 10 are screwed for power supply. The rods 10 are passed through openings in the cell wall, thermal insulation layer and steel vessel and at their ends 11 screwed together with busbars or the like. The screw connection, the metal coating on the graphite rods and any cooling devices in contact with the rods are not shown in the drawing.

Claims (5)

1. Elektrolysecelle til utvinning av aluminium, omfattende anoder (6) som under drift dykker ned i en smelteelektrolytt (5), en katode som omfatter en cellebunn (2,3) som vesentlig består av grafittblokker (3) som strekker seg over bredden av cellen og som under drift er belagt med et lag av flytende aluminium (4) og hvor det er innført katodiske strømtilførsels-ledere (10) i grafittblokken (3), samt med et kar (1) som omgir cellebunnen og under drift smelteelektrolytten (5), karakterisert ved at der i uttagninger i blokkenes (3) endeflate er innført grafittstaver (10), som er ført gjennom sidebegrensningen (7) og tjener til strømtilfør-sel .1. Electrolysis cell for the extraction of aluminium, comprising anodes (6) which during operation dip into a molten electrolyte (5), a cathode comprising a cell bottom (2,3) which essentially consists of graphite blocks (3) extending over the width of the cell and which during operation is coated with a layer of liquid aluminum (4) and where cathodic power supply conductors (10) are introduced in the graphite block (3), as well as with a vessel (1) which surrounds the cell base and during operation the molten electrolyte (5 ), characterized by the fact that graphite rods (10) are inserted into recesses in the end surface of the blocks (3), which are passed through the side restriction (7) and serve for power supply. 2. Elektrolysecelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at grafittstavene (10) i det minste delvis er belagt med et metall.2. Electrolysis cell as stated in claim 1, characterized in that the graphite rods (10) are at least partially coated with a metal. 3. Elektrolysecelle som angitt i krav 1 og 2, karakterisert ved at grafittstavene (10) er skrudd sammen med grafittblokkene (3).3. Electrolysis cell as specified in claims 1 and 2, characterized in that the graphite rods (10) are screwed together with the graphite blocks (3). 4. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at der i skruegjengene er innført en temperaturfast kontaktmasse.4. Electrolysis cell as specified in claims 1-3, characterized in that a temperature-resistant contact compound is introduced into the screw threads. 5. Elektrolysecelle som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at de deler av grafittstavene (10) som rager ut av elektrolysecellen, er omsluttet av en kjøleanordning.5. Electrolysis cell as specified in claims 1-4, characterized in that the parts of the graphite rods (10) which protrude from the electrolysis cell are enclosed by a cooling device.