NO150287B - Fremgangsmaate og anordning for innstilling av den elektriske stroemfoering gjennom flytende aluminium ved utvinning av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for innstilling av den elektriske strømføring gjennom flytende aluminium ved utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd i en elektrolysecelle utstyrt med anoder neddykket i smelteelektrolytten samt motstående katodeskinner i avstand fra anodene og innlagt i en karbonfbring, idet utskilt aluminium mellom katodeskinnene og anodene gjør tjeneste som katode.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd ( Al20^) blir oksydet vanligvis oppløst i en fluoridsmelte,

som hovedsakelig består av kryolitt (Na^AlFg). Det utskilte rene aluminium ved katoden samler seg under nevnte fluoridsmelte på cellens bunn, som består av karbonmaterial, og overflaten av dette flytende aluminium danner da katode. I fluoridsmelten er det neddykket anoder, og ved disse utvikles oksygen ved spalting av aluminiumoksydet. Dette oksygen forbinder seg under den vanlige elektrolyseprosess med karbonmaterialet i anodene for dannelse av CO og C02.

Fluoridsmeltens elektriske ledningsevne er så dårlig i forhold til ledningsevnen av flytende aluminium at den elektrolyse-strøm som forlater anoden, strømmer tilnærmet vertikalt gjennom fluoridsmelten, således at den vertikale strømtetthet i elektrolytten, hvilket vil si fluoridsmelten, i sin alminne-lighet over alt er den samme. Dette gjelder imidlertid ikke for karbonforingen og de katodeskinner som er innlagt i denne, og som f.eks. kan være av jern. Karbonforingen, katodeskinnene og kontaktmotstanden mellom disse to materialer kan ha sterkt varierende elektriske egenskaper, således at karbonforingen nær cellens ytterkant opptar mer strøm enn i midten av cellen. Strømuttaket på undersiden aV det flytende aluminium er således varierende selv om det flytende aluminium på sin overside mottar fullstendig jevnt fordelt strøm. De hovedsakelig horisontale uto.verrettede strømtetthetskomponen-ter som således opptrer i det flytende aluminium, er meget skadelige, idet de sammen med unngåelige magnetiske induksjonskomponenter i det flytende aluminium frembringer mekaniske krefter som avviker sterkt fra de tilsvarende krefter i elektrolytten og således medfører overflatehvelvning av det flytende aluminium og strømninger i dette materiale.

På grunn av disse forhold er det av vesentlig betydning å unngå horisontale utoverrettede komponenter av elektrisk strøm i det flytende aluminium, således at det flytende aluminium ved en elektrolyseprosess av ovenfor angitt art gjennomstrøm-mes med konstant strømtetthet i vertikal retning.

Den elektriske strømføringsevne mellom katodeskinnene og en karbonforing av i og for seg kjent art som omgir disse bør således avta fra midten av elektrolysecellen til dens sidekanter på sådan måte at karbonforingen mottar fra det utskilte aluminium omtrent samme strøm pr. flateenhet av foringen over hele elektrolysecellens bredde.

For å oppnå dette er det kjent fra norsk patentskrift

nr. 84.806 å utforme karbonforing og katodeskinner på en måte som gir omtrent samme strømtetthet i det flytende aluminium over hele elektrolysecellens bredde.

Fra US patentskrift nr. 2.824.057 er det videre kjent å jevne ut strømfordélingen over cellebredden ved å legge inn isolasjon mellom karbonforing og strømskinner nær cellens sidekanter.

I norsk utlegningsskrift nr. 128.335 er det dessuten beskrevet en katode som består av karbonblokker med innbyrdes forskjellig elektrisk ledningsevne og som benyttes for å løse det ovenfor angitte problem.

Disse løsninger er dels kostnads- og innsatskrevende under elektrolysecellens fremstilling, og gir dels betydelig varierende strømføringsforhold under cellens driftstid på grunn av de meget krevende driftsbetingelser.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelsen å over-

vinne disse ulemper.

Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for innstilling av den elektriske strømføring gjennom flytende aluminium ved utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd i en elektrolysecelle utstyrt med anoder neddykket i smelteelektrolytten samt motstående katodeskinner i avstand fra anodene og innlagt i en karbonforing, idet utskilt aluminium mellom katodeskinnene og anodene gjør tjeneste som katode, mens fremgangsmåtens særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger i at den elektriske strømføringsevne mellom karbonforingen og katodeskinnene bringes til å avta fra midten av elektrolysecellen til dens sidekanter, enten trinnvis ved at delstykker av elektrisk ledende forbindelse mellom karbonforingen og katodeskinnene gis avtagende lengde og anordnes med tiltagende mellomrom i den angitte retning, eller trinnløst ved at overgangsgap mellom karbonforingen og katodeskinnene i avtagende grad fylles med et elektrisk ledende medium i retning mot cellens sidekanter.

Oppfinnelsen gjelder også en anordning for utførelse av de ovenfor angitte fremgangsmåter og hvis særtrekk i henhold til oppfinnelsen er at den elektriske overgangsforbindelse mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene (14) er utført for avtagende strømføringsevne fra midten (M) av elektrolysecellen (E) utover til dens sidekanter (31) enten trinnvis ved at delstykker (43) av elektrisk ledende forbindelse er anordnet mellom karbonforingen og katodeskinnene (14) med avtagende lengde (n) og tiltagende mellomrom (P) i den angitte retning, eller trinnløst ved at overgangsgap mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene(14) i avtagende grad er fylt med et elektrisk ledende medium i retning mot cellens sidekanter (31).

For å oppnå dette kan mellomrommet mellom karbonblokken og katodeskinnene fylles med innstampet elektrisk ledende medium eller innstøpt støpejern, enten i form av et sjikt med avtagende tykkelse utover mot cellens sidekanter eller i form av innbyrdes adskilte delstykker.

Ved en hensiktsmessig dimensjonering av overgangsmotstanden

på forhånd kan det oppnås en rent vertikal strømgjennomgang gjennom det flytende aluminium. Den tilsiktede og oppnådde eliminering av horisontale og utoverrettede strømkomponenter i det flytende aluminium nedsetter oksydering på nytt av det allerede fremstilte aluminium ved kontakt med anodegasser,

da nevnte hvelvning av metalloverflaten og/eller metallstrøm-ninger i det flytende aluminium i vesentlig grad nedsettes eller bringes til å forsvinne helt, slik det allerede er for-klart ovenfor . Videre nedsettes varmetapene utover gjennom katodeskinnene av jern, da vanligvis varmeledningsmotstanden mellom katodeskinnene og karbonf oringen øker sammen med den ovenfor omtalte elektriske kontaktmotstand.

Ytterligere fordeler, særtrekk og detaljer ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse av forskjellige utførelsesformer under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en del av en vanlig aluminium-elektrolysecelle; Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom utførelsen i fig. 1 langs linjen II-IV; Fig. 3 viser forstørret et avsnitt av fig. 2; Fig. 4 viser et forstørret avsnitt tilsvarende fig. 2, men av en annen utførelse; Fig. 5 viser strømlinjenes forløp i en EM 14-ovn med vanlige katodeskinner, og Fig. 6 viser strømlinjenes forløp i en EM 14-ovn med tiltagende overgangsmotstand i retning mot cellens kantområde mellom katodeskinnene og karbonforingen.

Over et stålkar 1 med varmeisolerende -innersjikt 2 og en foring av karbfflnblokker som danner en bunn 3, strekker det seg i lengderetningen bjelkeformede anodebærere 4, som er opplag-ret på skruespindler 6 ovenpå sokkelstykker 5, således at anodebærerne kan høydeforskyves i pilretningen Y ved hjelp av snekkehjul 7 i inngrep med spindlene 6.

Ved hjelp av låseinnretninger 8 er anodebærerne 4 forbundet med hovedsakelig vertikal forløpende anodestenger 9, som. ved sin nedre ender bærer anoder 10 av amorft karbonmaterial. Disse anoder kan forskyves i pilretningen Y sammen med sine anodestenger 9 i låseinnretningene 8, således at avstanden h mellom undersiden 11 av anodene og innsiden 12 av karbonforingen 3 kan forandres eller justeres.

Av fig. 2 vil det tydeligere fremgå at det over stålkaret 1 er anordnet en eneste anodebærer 4 langs cellens midtre verti-kalplan og som er forsynt med tverråk 13 for å bære anodestengene 9. Av fig. 2 vil det også fremgå at karbonforingen 3 over hele sin bredde b gjennomtrenges av katodeskinner 14 av stål, og hvis utragende skinneender 15 over bøyelige strøm-ledere 16 er forbundet med strømskinner 17 langs cellens lengderetning...

I det indre av stålkaret 1, nemlig i det indre rom J som dannes av karbonforingen 3, befinner det seg en fluoridsmelte S, som hovedsakelig utgjøres av kryolitt (Na^AlF^), og som danner elektrolytt for utvinning av aluminium fra aluminiumoksyd {Al203) ved elektrolyse.

Det katodisk utskilte aluminium A samler seg på karbonforingen 3, således at overflaten 20 av aluminiumsjiktet A utgjør katode for elektrolyseprosessen, mens anodene. 10 henger i en avstand d over katoden. Anodene 10 tilføres likestrøm gjennom anodebæreren 4 og anodestengene 9, og denne strøm flyter videre gjennom elektrolytten S, det flytende aluminium A og karbonforingen 3 samt dens tilordnede katodeskinner. 14. Fra disse katodeskinner 14 i den beskrevne elektrolysecelle E flyter så strømmen til anodebæreren for en etterfølgende celle (ikke vist), og dette kan da gjentas for et vilkårlig antall celler.

Elektrolytten S er tildekket av en skorpe 30 av størknet fluoridsmelte, og langs sidene 29 av karbonforingen 3 danner det seg også såkalte kantskorper 31. Disse sistnevnte skorper er også med på å bestemme den horisontale utstrekning f av det foreliggende bad av flytende aluminium A og elektrolytt S.

Ovenpå den tildekkende skorpe 30 er det anordnet et aluminium-oksydsjikt 32. På undersiden av skorpen 30 vil det over fluoridsmelten S dannes hulrom 33. Avstanden d fra anodenes underside 11 til aluminiumoverflaten 20 kalles interpolar-avstanden og kan innstilles ved heving og senking av anodebæreren 4 i pilretningen Y ved hjelp av heveinnretningen 6,

7. Dette kan enten finne sted samtidig med samtlige anoder

10 eller, ved hjelp av låseinnretningene 8, for hver anode-stang 9 for seg.

Som følge av angrep fra det frigjorte oksygen under elektro-lysen forbrukes anodene 10 på undersiden 11 i en grad tilsvarende 15 - 20 mm pr. dag, alt etter celletypen. Samtidig stiger overflatenivået 20 for det foreliggende flytende aluminium i cellen E innenfor samme tidsrom med 15 - 20 mm.

Når en anode 10 er helt forbrukt, erstattes denne med en ny anode 10.

I praksis arbeider en celle E på sådan måte at anodene 10 allerede etter få dager oppviser tegn på at de forbrukes i forskjellig grad. Over et tidsrom på flere uker må derfor anodene 10 utskiftes hver for seg og uavhengig av hverandre. Særlig av fig,. 1 vil det fremgå at det i en celle E befinner seg anoder 10 med forskjellig driftstid.

I løpet av elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten S på aluminiumoksyd. Ved en nedre grensekonsentrasjon på 1 - 2% aluminiumoksyd i elektrolytten 1 opptrer den såkalte anodeeffekt, som ytrer seg som en plutselig forhøyning av celle-spenningen fra den normale verdi på 4 - 4,5 V til omkring 30 V eller mer. Senest ved dette tidspunkt må det slås hull på den dekkende skorpe 30 for forhøyning av Al2°3~ konsentrasjonen ved tilførsel av ny aluminiumoksyd 32.

Vanligvis betjenes cellen E periodisk ved normal drift, også

i det tilfelle den beskrevede anodeeffekt ikke opptrer. Utover dette må, som kjent, ved enhver påkommende anodeeffekt, badets skorpe 30 gjennomhulles og aluminiumoksyd-konsentrasjonen forhøyes ved ny materialtilførsel, slik som skildret ovenfor. Under drift står således en anodeeffekt alltid i forbindelse med en ytterligere celle-betjening. Det aluminium som utvin-nes elektrolytisk og samler seg på karbonforingen 3 i cellen E, tas vanligvis ut en gang daglig ved hjelp av konvensjon-elle uttaksinnretninger, f.eks. ved hjelp av en sugeinnret-ning 40.

Den elektriske ledningsevne for fluoridsmelten S er så dårlig

i forhold til ledningsevnen for flytende aluminium, at den elektrolysestrøm som forlater anodene 10 på deres underside 11 gjennomstrømmer fluoridsmelten S tilnærmet vertikalt, og når det bortses fra randeffekter, vil den vertikale strøm-tetthet følgelig være den samme overalt i elektrolytten S. Karbonforingen 3 og katodeskinnene 14 av jern er elementer

med innbyrdes forskjellige elektriske egenskaper. Karbon- - foringen 3, som opptar strøm fra det flytende aluminium A, trekker på grunn av disse forskjellige elektriske egenskaper relativt mer strøm ved cellekanten enn i cellens midtområde M. Hvis det flytende aluminium A på sin overside 20 for-synes med jevnt fordelt strøm, mens strømuttaket på innsiden 12 av karbonforingen 3 er uregelmessig fordelt, må det nød-vendigvis flyte utligningsstrømmer i horisontal retning i.det flytende aluminium A, slik som antydet i fig. 2 ved avbøyningen av strømlinjene 41. Elektrolysestrømmen forlater nemlig, anodene 10 tilnærmet vertikalt, men vil i det flytende aluminium

A trekke seg utover i retning mot innsiden av stålkaret 1.

"De utoverrettede horisontale strømtetthetskomponenter som opptrer i det flytende aluminium A er meget skadelige. Sammen med magnetiske induksjonskomponenter som alltid foreligger i nærheten av strømførende ledere, frembringer disse strøm-komponenter i det flytende aluminium A krefter som er meget forskjellige fra tilsvarende krefter i elektrolytten S. En følge av denne kraftforskjell er hvelvning av aluminiumoverflaten og/eller strømninger i det flytende metall. Begge disse virkninger forstyrrer smelteovnens drift, da allerede fremstilt aluminium A bringes i nærheten av anodene 10, hvor metallet under påvirkning av vandrende anodegasser (CC^) ok-syderes til Al203, hvilket fører til betraktelige produksjons-tap.

Disse ulemper kan i henhold til fig. 3 og 4 forhindres ved hjelp av de viste elektrisk ledende sjikt 42 og 46, som er anordnet mellom karbonforingen 3 og katodeskinnene 14. Delstykkene 4 3 av sjiktet 4 2 i fig. 3 oppviser på tvers av cellens lengdeakse forskjellige lengdeutstrekning n, som avtar mot stålkarets utside, og tilsvarende øker bredden p av mellomrommene 44 mellom de innstøpte eller innstampede delstykker 43. Innenfor disse mellomrom 44 isoleres fortrinns-vis katodeskinnene 14 ved hjelp av dårlig elektrisk ledende eller ikke-ledende material 45 mot karbonforingen 3. Denne isolasjon kan utelates i cellens midtområde og/eller være fullstendig ved cellens ytterkant.

Hvis de innstøpte eller innstampede elektrisk ledende delstykker 43 gjøres kortere, eller fyllingen mellom katodeskinnene 14 og karbonforingen 3 med støpejern eller elektrisk ledende stampemasse 4 6 avtar trinnløst i nevnte retning i henhold til fig. 4, får overgangsforbindelser mellom jernskinnene 14 på den ene side og karbonforingen 3 på den annen side

avtagende strømføringsevne i retning mot ytterkantene av cellen. Den tilsvarende økning av overgangsmotstanden i ret-

ning utover fra midten av cellen beregnes da således ved hjelp av vanlige elektriske nettverkberegninger at karbon-foringens strømopptak fra det flytende aluminium A blir den samme over hele den aktive bredde av cellen E.

Forøvrig vil det fremgå av fig. 4 at karbonforingen 3 er satt sammen av enkeltblokker 3a, 3b med ubetydelige mellomliggende fuger 47. Katodeskinnene 14 er vanligvis fremstilt i enhet-lige stykker, selv om de, som vist i fig. 5 og 6, også kan være oppdelt i to deler.

I fig. 5 er katodeskinnene 14 utført på vanlig måte, mens

i fig. 6 kontakten mellom katodeskinnene 14 av jern på den ene side og karbonbunnen 48 på den annen side er nedsatt i retning av katodekarets sidekanter. Den elektriske strøm, som er angitt ved strømlinjene 49, flyter gjennom anodestengene 9, holderne 50, katodene 10, smelteelektrolytten S, det flytende aluminium A og karbonbunnen 48 frem til katodeskinnene 14, hvorfra den strøm som fremdeles er angitt ved strøm-linjene 49, avgis. For den skjematisk viste EM 14-ovn er det utarbeidet et databehandlingsprogram som tillater oppteg-ning av strømlinjenes forløp ved hjelp av en opptegningsmeka-nisme.

Som vist i fig. 5, forløper her strømlinjene i det flytende aluminium A sterkt i retning utover, hvilket vil si mot elektrolysecellens sidekanter, og bevirker derved overflatehvelvning av det flytende aluminium og strømninger i metall-smelten.

I fig. 6, hvor den elektriske strømføringsevne av overgangen mellom karbonforing og skinner avtar trinnvis eller trinnløst fra elektrolysecellens midtområde til dens sidekanter, f.eks. i henhold til en av utføringsformene i fig. 3 eller fig. 4, forløper strømlinjene tilnærmet vertikalt gjennom det flytende aluminium. Der hvor en strømgjennomgang mellom katodeblokk og katodeskinner skal avbrytes, og således elektrisk ledende stampemasse utelates, fylles mellomrommet mellom foring og skinner med isolasjonsmaterial, f.eks. asbestfibre i steden for med støpejern. På denne måte unngås eller sterkt redu-

seres den omtalte overflatehvelvning og de angitte metall-strømninger i aluminiumsmelten.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for innstilling av den elektriske strømføring gjennom flytende aluminium ved utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd i en elektrolysecelle (E) utstyrt med anoder (10) neddykket i smelteelektrolytten (S) samt motstående katodeskinner (14)

i avstand fra anodene og innlagt i en karbonforing (3), idet utskilt aluminium mellom katodeskinnene og anodene gjør tjeneste som katode,karakterisert ved at den elektriske strøm-føringsevne mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene (14) bringes til å avta fra midten (M) av elektrolysecellen (E) utover til dens sidekanter (31) enten trinnsvis ved at delstykker (43) av elektrisk ledende forbindelse mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene (14) gis avtangende lengde (n) og anordnes med tiltagende mellomrom (p) i den angitte retning, eller trinnløst ved at overgangsgap mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene(14) i avtagende grad fylles med et elektrisk ledende medium i retning mot cellens- sidekanter (31).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert ved at den elektriske forbindelse mellom katodeskinnene (14) og karbonforingen (3) fremstilles ved innstamping av en elektrisk ledende masse (43,46).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert ved at den elektriske forbindelse mellom' katodeskinnene (14) og karbonforingen (3) fremstilles ved innstøping av støpejern (43, 46).

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at de områder av katodeskinnene (14) som ikke skal forbindes med karbonforingen (3), i det minste delvis isoleres elektrisk overfor foringen.

5. Anordning for innstilling av den elektriske strøm-føring gjennom flytende aluminium ved utvinning av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd i en elektrolysecelle (E) utstyrt med anoder (10) neddykket i smelteelektrolytten (S) samt motstående katodeskinner (14) i avstand fra anodene og innlagt i en karbonforing (3), idet utskilt aluminium mellom katodeskinnene og anodene gjør tjeneste som katode, karakterisert ved at den elektriske overgangsforbindelse mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene (14) er utført for avtagende strømføringsevne fra midten (M) av elektrolysecellen (E) utover til dens sidekanter (31) enten trinnvis ved at delstykker (43) av elektrisk ledende forbindelse er anordnet mellom karbonforingen og (3) katodeskinnene (14) med avtagende lengde (n) og tiltagende mellomrom (p) i den angitte retning, eller trinn-løst ved at overgangsgap mellom karbonforingen (3) og katodeskinnene (14) i avtagende grad er fylt med et elektrisk ledende medium i retning mot cellens sidekanter (31).

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at støpejern er innstøpt mellom katodeskinnene (14) og karbonforingen (3) enten i form av et sjikt (46) med avtagende tykkelse mot cellens sidekanter (31) eller i form av innbyrdes adskilte delstykker (43).

7. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at elektrisk ledende medium er innstampet mellom katodeskinnene (14) og karbon foringen (3) enten i form av et sjikt (46) med avtagende tykkelse mot cellens sidekanter (31) eller i form av innbyrdes adskilte delstykker (43).

8. Anordning som angitt i krav 5-7, karakterisert ved at mellomrom mellom det elektrisk ledende medium (43, 46) på den ene side og karbonf oringen (3) og/eller katodeskinnene (14) på den annen side i det minste delvis er forsynt med et dårlig ledende,