NO783935L - Elektrolytisk reduksjonscelle. - Google Patents

Description

Elektrolytisk reduksjonscelle.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører elektrolytiske reduksjonsceller, i hvilke gulvet i cellen danner katodekonstruksjonen. I slike celler, som anvendes i den elektrolytiske fremstilling av aluminium, dannes en pute av smeltet metall på gulvet av cellen under det smeltede elektrolytiske reduksjonsbadet, inn i hvilket anoden eller anodene dukker fra hodestøtteorganene. For å

oppnå maksimal virkningsgrad ved anvendelsen av elektrisk kraft er det viktig at avstandene mellom den nedre overflaten av anoden .og overflaten av katoden, slik den dannes av den øvre overflaten av den smeltede metallputen, forblir så nær som mulig i overens-stemmelse med den forutvalgte avstand. Det vil følgelig forstås at en hvilken som helst forstyrrelse av den øvre overflaten av metallputen kan være ugunstig for virkningsgraden av celleopera-sjonen.

Elektrolytiske reduksjonsceller opererer ved lave spenninger og meget høye strømmer. Cellene er forbundet i serie og anordnet på en linje. Strømmen føres fra en celle til den neste ved hjelp av store ledere som forbinder katoden i en celle med anoden i cellen som ligger nærmest i linjen. Strømmen som flyter gjennom cellen og i lederne gir opphav til et vesentlig magnetisk felt i og omkring cellen. Dette magnetiske felt kan bevirke vesentlig forstyrrelse av metallputen i den elektrolytiske cellen på grunn av elektromagnetiske krefter som oppstår fra samvirke mellom strøm som flyter i metallputen og det magnetiske feltet.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe

en forbedret,men enkel konstruksjon av katoden i den elektrolytiske

reduksjonscellen som vil resultere i en metallputeoppførsel som

I bedre passer for oppnåelsen av maksimal virkningsgrad og styring.

! Metallputeoppførselen forbedres ved å minske<p>g styre den horison-i.tale strømkomponenten som flyter på tverrs av cellen i metallputen.

Ettersom den elektromagnetiske kraft er proporsjonal med bl.a. strømtettheten, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse et meget virkningsfullt middel for styring av metallputeopp-førselen og cellestabiliteten.

Ved konstruering av katoden i en vanlig elektrolytisk reduksjonscelle legges karbonkatodeblokken.e, som danner gulvet i cellen, langsgående over cellen. Undersiden av katodeblokkene uthules i langsgående retning for å motta metall (vanligvis stål) kollektorstenger som forløper sideveis forbi blokkene gjennom sidene av cellen for forbindelse med hovedlinjelederne. Disse kollektorstenger blir så støpejernsstaket eller sementert på plass ved hjelp av en bek-karbonblanding, hvilken deretter blir karbonisert når cellen oppvarmes, hvorved det etableres god elektrisk forbindelse mellom karbonblokken og metallkollektorstangen. Selv om mange andre midler for å forbinde katodegulvblokkene med metallkollektor-. stengene er blitt foreslått, anvendes ovenfor nevnte fremgangsmåter normalt på grunn av sin enkelthet.

Ettersom karbonkatodeblokkene er relativt gode varmeledere,

er det nødvendig at kollektorstengene bør dannes av et metall som har et høyere smeltepunkt enn driftstemperaturen for cellen og av den grunn lages de vanligvis av stål.

Den aktuelle banen for strømmen mellom det elektrolytiske badet og katodekollektorstengene fører til en vesentlig strømkomponent gjennnom den smeltede metallputen i horisontalretning på tverrs av cellen på grunn av at banen med minst motstand fra det elektrolytiske badet til linjelederen ligger gjennom metallputen til siden av cellen og så gjennom karbongulvblokken til kollektorstangen. Dette fører til en relativt stor strømtetthet ved grenseskjiktet mellom stål og karbon ved steder nær siden av cellen.

En anordning i hvilken strømmen kommer inn i kollektorstengene gjennom et relativt lite areal nær deres ender er åpen for den innvending at spenningsfallet mellom kollektorstengene og karbonet er urimelig høyt på grunn av den store strømtettheten. Den foreliggende oppfinnelse, ved å tilsikte og redusere tverrgående Lhorisontale strømmer i metallputen, tilsikter også å redusere spenningsfallet over grensesjiktet mellom stål og karbon ved j å redusere variasjoner i strømtettheten ved grensesjiktet. En<1>

mer jevn strømtetthet fører også til en reduksjon i spenningsfall _,qyer katodekarbonblokkeri med mulig besparelse i forbruket av elektrisk energi.

De elektromagnetiske krefter som resulterer i forstyrrelsen av metallputen oppstår av samvirket mellom strømmen i metallputen og det magnetiske feltet. Disse krefter frembringer deformering av metall-badgrensesjiktet i både tverrgående og langsgående retninger, mens de samtidig etablerer sirkulære bevegelser i metallputen og badet. En avstand mellom anoden og katoden som er tilstrekkelig stor til å unngå direkte kontakt mellom metallputen og anoden må opprettholdes til tross for disse forstyrrelser. Dette fører til at avstanden av anoden fra katoden opprettholdes

på en større verdi enn det som ville være nødvendig hvis metallputen kunne opprettholdes i en mer rolig og plan tilstand. Den ønskede forbedrede tilstand kan oppnås i prinsippet ved hjelp av en av to forskjellige fremgangsmåter. Den vanlige fremgangsmåte er å forbedre fordelingen av magnetiske felt ved f.eks. passende plassering av de ytre ledere og/eller magntisk skjerming. En alternativ fremgangsmåte, som anvendes i den foreliggende oppfinnelse,, er å forbedre strømfordelingen i cellen. Hovedsaklig blir, ved den foreliggende oppfinnelse, forbedringen i strømfor-deling oppnådd ved å anordne at strømløpet fra metall/elektrolytisk badgrenseskjiktet til linjelederne er primært i en vertikal retning gjennom metallputen med påfølgende reduksjon i de horisontale strømmer i metallputen i tverretningen. Ved reduksjon av den horisontale tverrgående strøm, blir kreftene som stammer fra samvirket mellom den vertikale komponenten i det magnetiske feltet og den tverrgående strømmen i metallputen redusert. Videre fører den mer jevne vertikale strømfordeling til et kraftfelt i metallputen som harmoniserer mindre deformasjon og sirkulasjon.

For å oppnå det ønskede resultat i redusering av deformasjonen

i metall-bad grensesjiktet og mengden av metallsirkulering, foreslår den foreliggende oppfinnelse å føre strøm ut av kollektorstengene ved en posisjon som er fjerntliggende fra deres ender.

!_Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en elektro-

lytisk reduksjoncelle for fremstilling av aluminium som har et' gulv som danner cellekatoden, og strømkollektorstenger som er plassert i undersiden av gulvet for å ta katodestrøm derfra, hvilken celle kjennetegnes ved at det er tilveiebragt et flertall forbindelsesstenger for hver kollektorstang og hver forbindelsesstang er koblet ved et respektivt mellomliggende punkt mellom endene av en kollektorstang eller kollektorstangseksjon, hvor hver kollektorstang er enhetlig eller i separate seksjoner.

Ved en foretrukket anordning deles kollektorstangen i en katode-blokk i et antall separate seksjoner, hvor hver av disse er koblet til en individuell tilhørende forbindelsesstang ved en posisjon som er fjerntliggende fra dens ender. I visse tilfeller er kollektorstangen selv ikke fysisk delt i separate seksjoner, men er koblet til to eller flere forbindelsesstenger ved posisjoner som er fortrinnsvis symmetriske i forhold til dens midtpunkt (men fjerntliggende fra dens ender). Ved å anordne at strømmen føres ut fra kollektorstangen eller kollektorstangseksjonene ved posisjoner som er fjerntliggende fra deres ender, blir størrelsen av de gjenværendé tverrgående strømmer i metallputen redusert i stor grad og hvilke som helst gjenværende strømmer er da blitt omordnet for således å motvirke hverandre lokalt. Det resulterende samvirke mellom disse strømmer og de vertikale komponenter av det magnetiske feltet vil følgelig bli redusert og lokalisert, hvilket forbedrer metallputedeformasjon og sirkulasjon.

I en foretrukket anordning av den elektrolytiske reduksjonscellen ifølge oppfinnelsen, oppdeles kollektorstangen i fire separate seksjoner, fra hvilke strøm tas ut ved eller nær midtpunktet av hver seksjon. Motstanden i forbindelsestengene velges slik at de forutvalgte strømmer trekkes fra hver kollektorstangseksjon. Dette kan oppnås enten ved å dimensjonere forbindelsesstengene og/eller ved å innføre ytre motstander.

For å illustrere oppfinnelsen skal det henvises til den ved-

lagte tegning som viser et tverrsnitt av en elektrolytisk celle ifølge oppfinnelsen. Gulvet i cellen er sammensatt av karbon-katodeblokker 1 som er lagt i langsgående retning over cellen og er uthulet i langsgående retning på vanlig måte for å motta I .kollektorstangseksjoner 2. Kollektorstangseksjonene 2 er forbundet

m. ed linjelederne 3 ved hjelp av henholdsvis forbindelsesstengeri

4 og 5. Forbindelsesstengene 4 har mindre tykkelse enn forbindelsesstengene 5, for således omtrentlig å utligne strøm-tettheten ved kollektorstangseksjonene 2. Som vist føres forbindelsesstengene 4 og 5 gjennom isolasjonslaget 6 til midtpunktene av de respektive kollektorstangseksjoner 2. Følgelig vil katode-strømmen i hver kollektorstangseksjon 2 på motsatte sider, av midt-<p>unktene flyte i motsatte retninger. Ved denne celleanordning har strømmen fra anoden 7 gjennom badet 8 og metallputen 9 relativt små komponenter på tverrs av cellen ved dens passasje gjennom metallputen sammenlignet med vanlige celler.

Dette har den virkning å minske den sirkulære strømning 1 metall-<p>uten. Det er imidlertidønskelig at en viss styrt sirkulasjon bør oppnås og i dette henseende er det ønskelig å anordne en celle ifølge foreliggende oppfinnelse, slik at mer eller mindre enn den gjennomsnittlige strøm trekkes fra kollektorene nær endene av cellen. Dette fører til lokalisert sirkulasjon i hver av de fire kvadrantene i cellen. Dette kan lettest anordnes ved å

ha forbindelsesstengene 4 i de siste to eller tre rader av kollektorstenger med noe lavere eller høyere motstand.

Det vil lett forstås at prinsippene for den foreliggende oppfinnelse kan anvendes på tilsvarende, endog enklere og- muligvis mindre effektive konstruksjoner.

Således blir i en alternativ konstruksjon en enkelt kollektorstang anvendt i forbindelse med et par forbindelsesstenger som er koblet til den på begge sider av dens midtpunkt, fortrinnvis midtveis mellom dens midtpunkt og dens ender.

I en annen anordning anvendes to kollektorstangseksjoner og

en tilhørende forbindelsestang i forbindelse med hver seksjon ved en posisjon som er noe. forskjøvet fra midtpunktet av kollektor-stangseks jonen fortrinnsvis mot midtlinjen av cellen.

Det er en fordel ved alle de betraktede anordninger, idet minste for alle de konstruksjoner hvor kollektorstangen er faktisk eller effektivt delt i separate seksjoner, at deformasjonen og/eller. forstyrrelsen av metallputen reduseres med det resultat at en i mindre anode-til-katode avstand kan anvendes som vil føre til i i et lavere spenningsfall i elektrolytten mellom anoden og katoden og med ytterligere besparelse i elektrisk energi som anvendes i prosessen.

Eksempel.

To katoder ble konstruert ifølge den konstruksjon som er vist

i fig. 1 og ble plassert i en 128 KA vertikal stål Soderberg digellinje og drevet under' normale anleggsbetingelser i noen måneder. Under denne tid ble katodestrømfordelingen og andre parametre målt og sammenlignet med resultater som forutsagt av en matematisk modell. Bortsett fra konstruksjonstrekkene som vist i fig. 1, ble katoden konstruert til å operere med den samme termiske balanse som en normal katode. Den målte strømfordeling overensstemte meget godt med den som var forutsagt og viste reduksjon i tverrgående horisontal strømtetthet med en faktor på 3 - 5 avhengig av fryseprofil, metalldybde etc.

Stabilitetskreteriet for cellene er tiden "i rystelse", dvs. antallet timer pr. dag under hvilke.spenningsvariasjonene er mer enn 150 mv. Under måleperioden var den gjennomsnittelige tid "under rysting" av de eksperimentelle celler mindre med en faktor på 8 enn" den for kontrollcellene. Punktet for begynnende ustabilitet var ca. 1 volt lavere enn på nabolignende kontroll-celler.

Selv om resultatet viser at cellespenningen kunne vært betydelig redusert under samtidig opprettholdelse av stabil drift, kunne dette ikke gjøres fordel av i testcellene som ble anvendt for dette eksperiment på grunn av kravene til cellens termiske balanse. Disse krevet at cellen måtte kjøres med den samme spenning som kontrollcellene. Ved en ny katodekonstruksjon,vil det imidlertid være mulig å gjøre fordel av den økede stabilitet i metallputen og således oppnå et lavere" energiforbruk, dvs. redusert celle-spenning.

i

I

Claims (6)

1. Elektrolytisk reduksjonscelle for fremstilling av aluminium som har et gulv som danner cellekatoden, og strømkollektor-stenger som er plassert i undersiden av gulvet for å ta katode-strøm derfra, karakterisert ved at det er tilveiebragt et flertall forbindelsesstenger for hyer kollektorstang og hver forbindelsesstang er koblet til et respektiv t mellomliggende punkt mellom endene av en kollektorstang eller kollektorstangseksjon, hvor hver kollektorstang er enhetlig eller i separate seksjoner.

2. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at motstandene i forskjellige forbindelsesstenger er forskjellige for å bestemme en ønsket strømfordeling i cellen.

3. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 2, karakterisert ved at det er fire seksjoner for hver kollektorstang og at forbindelsene med forbindelsesstengene dannes ved eller nær midtpunktet for hver seksjon.

4. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver kollektorstang er en enkelt stang og at et par forbindelsesstenger er koblet til den på respektive sider av dens midtpunkt.

5. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver kollektorstang omfatter to seksjoner og at en tilhørende forbindelsesstang er koblet til hver seksjon ved en posisjon som er forskjøvet fra midtpunktet for seksjonen mot midtlinjen ..av cellen.

6. Elektrolytisk reduksjonscelle som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved. at forbindelsesstengene og/eller kollektorstengene ved eller nær endene av cellen har motstander som er høyere eller lavere enn gjennomsnittet for resten av stengene.