NO178934B - Fremgangsmåte og innretning for innstilling av avstanden mellom polene i elektrolyseceller - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en innretning for innstilling av avstanden mellom polene i elektrolyseceller og mere spesielt elektrolyseceller som har en anode hengt opp i en bevegelig anodebjelke som de celler som benyttes for elektrolyse av smeltet aluminium.

Elektrolyseprosessen for fremstilling av aluminium er velkjent. Prosessen benytter en elektrolysecelle med et antall anoder og katoder og der smeltet aluminium fremstilles fra et råmateriale som aluminiumoksyd. Ved å føre strøm gjennom råmaterialet som befinner seg mellom en anode og en katode dannes det smeltet aluminium. I smeltet tilstand blir i det vesentlige rent metallisk aluminium trukket av. I slike celler blir katodene vanligvis fiksert og samarbeider med et antall bevegelige karbonbaserte anoder som forbrukes under elektrolyseprosessen. Karbon benyttes fordi dette kan forbrukes uten at det føres urenheter til produktet. For å opprettholde optimale betingelser, det vil si for å minimalisere energiforbruket, bør avstanden eller gapet mellom katode og anode holdes på i det vesentlige konstant verdi. Når således karbonanoden forbrukes økes dette gap og anoden må senkes for å opprettholde det optimale gap. For å forenkle illustrasjonen diskuteres det nedenfor kun et enkelt anode-katodepar. Karakteristisk har anoden en oppoverrettet stav som er festet til en bevegelig anodebjelke. Anoden er således opphengt i bjelken som kontrollerer anodens bevegelse. Anodebjelken er i sin tur i engasjement med en mekanisme for å heve og å senke anodebjelken. Således senkes anodebjelken i en grad tilsvarende forbruket av karbonanoden. Når anodebjelken når sitt laveste punkt er hver anode individuelt festet til en hjelpekryssbjelke som er montert på en endesidebærende ramme. Låsene som holder anodene til bjelken frigis så og anodebjelken heves til høyeste posisjon. Anodene festes så igjen til bjelken for ytterligere senkning. Selvfølgelig krever en slik prosedyre en produksjonsstans og for å minimalisere denne stans kreves det en lang anodestav og en stor forskjell i anodebjelkebevegelsesveien.

Ved å følge denne metode er differansen mellom de høyeste og laveste posisjoner for anodebjelken heller store, i størrel-sesorden 250 til 400 mm, noe som resulterer i en lang strømvei med derav følgende høyt energitap. Et annet resultat av den store forskjell i bjelkegapet er en fluktuering i det magnetiske felt i cellen som kan forstyrre celleeffektiviteten. Videre er det heller tidkrevende og løsne og å feste igjen anodene til anodebjelken.

Ideelt er avstanden mellom polene (avstanden mellom under-siden av anoden og katoden) den samme for alle karbonanodene og elektrolysestrømmen fordeler seg selv enhetlig over alt anodekarbon. I drift inntrer det imidlertid avvik fra det ideelle tilfelle da hver anode forbrukes i varierende hastighet og dette avvik må korrigeres hvis spredningen av strømfordelingen over anoden overskrider en viss grense.

For å korrigere dette avvik må polavstanden for de individuelle anodekarbonelementer økes eller reduseres for å veie opp for forbrukavviket. Ved utarming av elektrolyttene på aluminiumoksyd inntrer den såkalte anodeeffekt. Under anodeeffekten stiger ovnsspenningen fra ca. 4 volt til ca. 30 volt. Denne spenningsstigning forårsaker et forhøyet energiforbruk og må derfor hurtig elimineres. For å eliminere anodeeffekten setter man aluminiumoksyd til elektrolytten. Videre er det vanlig at samtlige anodekull benyttes inntil lokal kortslutning med metallbadet. På grunn av fortrengning av smelte under den nedoverrettede bevegelse for samtlige anodekull kan det derfor komme til overløp av smelte. Oppfinnelsens innretning tillater at, for å eliminere anodeeffekten, hver gang kun halvparten av anodekullene senkes mens den andre halvpart samtidig beveges oppover. På denne måte kan en forandring i badnivået og derved et overløp av smelte, forhindres.

Gjenstand for oppfinnelsen er således å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for innstilling av bevegelses-veien for anodebjelken for å minimalisere de ovenfor nevnte problemer.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for ny innstilling av avstanden mellom anode og katode og som ikke krever bruk av en hjelpetverrbjelke.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for innstilling av hver individuelle anode nøyaktig i forhold til den spesielle mengde anodeforbruk.

Nok en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for ny innstilling av anodebjelken hurtig og lett mens man opprettholder en minimalisert avstand mellom høyeste og laveste bjelkeposisjon.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en innretning for bevegelse av anoder for innstilling av polavstanden i elektrolyseceller, særlig for aluminiumsmelteelektrolyse, bestående av bevegelige anodebjelker hvortil det på elektrisk ledende måte er festet enkelte anodeblokker via anodestaver, og innretningen karakteriseres ved at det parallelt til og i en varierbar avstand fra den første anodebjelke bevegelig er anordnet minst en ytterligere anodebjelke, idet anodebjeikene er anordnet under hverandre og under drift utfører kontinuerlige og mot hverandre løpende løfte- og senkebevegelser, hvorved anodestavene er festet enten til den første eller den andre anodebjelke og der anodebjelkene alltid er forbundet med et motløpende drivverk og via en styringsenhet kan kobles om fra den første til den andre anodebjelke.

Oppfinnelsen angår som nevnt også en fremgangsmåte for innstilling av polavstanden, særlig for utligning av anodeavbrenningen ved elektrolyseceller, fortrinnsvis ved aluminiumsmelteelektrolyse, ved hjelp av bevegelige anodebjelker hvortil det på elektrisk ledende måte er festet enkelte anodeblokker via anodestaver, hvorved anodestavene efter å ha nådd en endestilling løsgjøres fra anodebjelken og midlertidig holdes i denne posisjon, anodebjelken føres opp og anodestavene derefter festes til anodebjelken, og fremgangsmåten karakteriseres ved at anodestavene er festet i vertikal retning til under hverandre anordnede anodebjelker som utfører kontinuerlige og mot hverandre løpende løfte-senkebevegelser, og at anodestavene vekselvis klemmes mot den ene eller den andre anodebjelke.

Ved, som beskrevet ovenfor, alternerende å feste anodestavene til anodebjelkene som beveger seg nedover får anodene en kontinuerlig nedoverrettet bevegelse som kompenserer for anodebruket. Det er også mulig å kontrollere de individuelle anoder ved å forandre anodene fra en bjelke til en annen derav hvilke utfører enten en løftende eller en senkende bevegelse.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger der Fig. 1 er et illustrerende riss av en kjent elektrolysecelle ; Fig. 2 er et illustrerende riss av en elektrolysecelle

ifølge oppfinnelsen;

Fig. 3 er et forstørret riss av elektrolysecellen i fig. 1,

delvis i tverrsnitt og viser anodelåsingen til den doble anodebjelke;

Fig. 4 er et forstørret delriss av elektrolysecellen i fig.

2 som viser en alternerende anodelåsing til dobbelt-anodebj eiken;

Fig. 5 viser et forstørret riss av et tverrsnitt av

justeringsinnretningen for dobbeltanodebjeiken; og

Fig. 6a, 6b og 6c er forstørrede riss av en anodelåsemeka-nisme som kan benyttes ifølge oppfinnelsen.

Under henvisning til fig. 1 vises det en kjent elektrolysecelle. Mens det beskrives en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, er dette kun for illustrerende formål da en hvilken som helst elektrolysecelle med en eller flere bevegelige anoder eller katoder kan benytte oppfinnelsens konsept.

Cellen 1 har en katode 2 av karbonholdig materiale forbundet via en stiv leder 3 og en fleksibel leder 4 til en katode-skinne 5. Under katodekullet befinner det seg et sjikt 6 for termisk isolasjon. Den ytre kappe av cellen foreligger i form av en stålkonstruksjon 7.

Katoden hviler på isolatoren 6 som befinner seg over et ovnstrau 7. Cellen inkluderer en karbonutforing 8 som omgir et bad 9 med en elektrolytt 10 og et flytende metall 11. En anode 12 har en bærerstav 13 som er festet til en anodebjelke 14. Den elektrokjemisk virksomme katode dannes av det flytende metallsjikt 11. Anoden bæres i badet 9, holdes i en avstand 15 mellom anoden og katoden. Anodebjelken 14 er bevegelig båret fra en stiv bjelke 16 og kan bevege seg over en avstand A. Øverste og laveste posisjon er vist i stiplede linjer. På grunn av denne store avstand er bjelken 14 forbundet via en fleksibel leder 17 til en anodeledeskinne 18, katodebjelken 18 fra den foranliggende ovn. En ikke vist hjelpebjelke benyttes for å heve anodebjelken idet avstanden A karakteristisk er mer enn ca. 250 mm, vanligvis ca. 400 mm. Denne store avstand kreves for å unngå for hyppig stans for ny posisjonering av bjelken.

Under henvisning til fig. 2 viser man en elektrolysecelle ifølge oppfinnelsen. Denne tilsvarer cellen ifølge den kjente teknikk på basis av katodetype, posisjonering, badsammensetning og så videre, men skiller seg fra den kjente teknikk ved å eliminere behovet for den store fleksible anodeleder 17 og cellen eliminerer også den enkelte anodebjelke mens man minimaliserer avstanden A.

Fremdeles under henvisning til fig. 2 har en elektrolysecelle 19 en stiv anodeleder 20 forbundet med et par fleksible ledere 21 og 22. Paret av de vesentlig kortere ledere er festet til et par anodebjelker 23 henholdsvis 24. Anodebjelkene er montert en over den andre og er individuelt bevegelige i en første cyklus mot og derefter bort fra hverandre. Begge bjelker er forbundet seg imellom ved hjelp av en spindel 25 med begge anodebjelker båret i en stiv bjelke 26. En anode 27 tilsvarende fig. 1 er båret av en anodestav 28. Imidlertid er anodestaven 28 alternativt festbar til en av paret av anodebjelker.

Under henvisning til fig. 3. vises det et forstørret tverrsnitt av dualanodebjelkesystemet. Hver anodebjelke 23 og 24 har en dermed forbundet anodelåselnnretning 29 henholdsvis 30. Kun når anodebjeikene skal beveges kan anodestavene være festet kun til en av de to bjelker. I ro kan anodekullene også være festet samtidig til begge bjelker. Denne samtidige festing har den fordel at man oppnår en høyere mekanisk sikkerhet og lavere spenningstap ved kontaktpunktene. Kun en innretning aktiveres ad gangen avhengig av hvilken anodebjelke det er ønskelig å være festet til. I fig. 3 er for eksempel staven 28 festet ved hjelp av innretningen 29 til bjelken 23. Et hus 31 dekker en ikke vist drivenhet som er montert på den stive ramme 26. Drivenheten engasjerer spindelen 25 og bevirker bevegelse av anodebjeikene. Fortrinnsvis er drivenheten en tilkoblet spindeldrivinnret-ning som er reversibelt roterbar. En første kobling anbragt på en ende av spindelen engasjerer en andre drivkobling ved hjelp av en reverserbar motor. Anslag kan være posisjonert på den første kobling som engasjerer første og andre grensebrytere, hver av hvilke ved kontakt endrer motorretnin-gen. Det finnes tallrike metoder og innretninger for synkron bevegelse av paret av anodebjelker i den foreskrevne cyklus, for eksempel individuelle hydrauliske eller elektriske stempel-aktuatorer, noe som også eliminerer behovet for en interforbindende spindel. Det vesentlige er bruken av et par anodebjelker som beveges i den foreskrevne cyklus.

Fig. 4 viser spindelen 25 i tverrsnitt. Spindelen passerer gjennom og interforbinder de to anodebjelker 23, 24.

Spindelen har to adskilte deler, en øvre gjenget del 32 og en nedre gjenget del 33 idet den øvre del er gjenget i en første retning og den nedre del er gjenget i den motsatte retning.

Således har den ene del høyregjenger mens den andre har venstregjenger. Hver anodebjelke har en gjenget åpning, 34 henholdsvis 35, med et tilpasset gjengestigning for inngrep med en kompiementærdel av spindelen. Således vil en rotasjon av spindelen i en første retning bevege bjelkene mot hverandre mens en reversering av rotasjonen vil bevege den bort fra hverandre.

I fig. 3 er anodebjelkene i maksimal avstand fra hverandre. På dette punkt er staven festet til den øvre bjelke 23 ved hjelp av låseinnretningen 29 mens den andre låseinnretning 30 som samarbeider med den nedre bjelke 24 er åpen. Spindelen vil så dreies av drivenheten slik at bjelkene beveger seg mot hverandre inntil man når en posisjon for minimum forskyvning. Under henvisning til fig. 5 har de to bjelker den minimale forskyvning, på hvilket tidspunkt den øvre låseinnretning 29 åpnes mens den nedre lukkes, man skifter således bjelker slik at anoden kan fortsette i nedoverrettet bevegelse ved å følge anodebjelken 24. Således vil en av bjelkene alltid bevege seg opp mens den andre beveger seg ned. Låsing av den egnede bjelke på det egnede tidspunkt bestemmer retningen av anoden.

Ved bruk av to i motsatt retning bevegelige anodebjelker kan man begrense den totale forskyvning til ca. 5 cm. Således kan klaringen for bevegelse i de fleksible anodeledere holdes liten, noe som minimaliserer de tidligere beskrevne skadelige virkninger. Videre kan en stiv stiger 20 benyttes istedet for de lange fleksible ledere.

Avvik i individuelle anodeavstander kan lett korrigeres ved hjelp av oppfinnelsen. For det første vil, med den koblede spindeldrivanordning 6 utkoblet, alle anoder være festet via anodelåsene til den. nedre anodebjelke 24 når denne befinner seg i øverste posisjon. Ethvert anodekull som skal heves og ikke reduseres festes temporært til den øvre anodebjelke 23 ved hjelp av låsen 29. Derefter beveges anodebjelken 24 nedover, for eksempel 5 mm ved hjelp av rotasjon av spindelen 25. Samtidig beveger anodebjelken 23 med anodene som skal heves, seg oppover, for eksempel 5 mm. På dette tidspunkt blir den hevede anode festet til bjelken 24 og spindelretnin-gen reversert for å fortsette heving av anodene for derved å øke polavstanden for anoden med 10 mm. Den hevede anodes bevegelse koordineres med de andre anoder.

For å redusere polavstanden med den koblede spindeldrivanordning 6 koblet ut, er alle anodene festet til den øvre bjelke 23. Når bjelken når sin øverste posisjon forblir anodene som skal senkes festet til anodebjelken 23 mens alle andre anodestaver temporært er festet til den nedre anodebjelke 24. Ved å følge dette blir anodebjelken 23 beveget nedover 5 mm. Samtidig beveger anoden 24 seg oppover 5 mm med de gjen-værende anodekull. Derefter blir alle anoder festet til anodebjelken 24 før den sistnevnte beveges nedover inn i den opprinnelige bjelkeposisjon. Ved å følge enten den stigende eller synkende prosedyre vil, når utgangsposisjonen er nådd, polavstanden for de valgte anodekull være øket eller redusert med 10 mm mens de som ikke er valgt både er hevet og senket 5 mm for en nettoendring på 0 mm.

Fordi anodef orbruket utgjør ca. 1,5 til 2 cm/dag er en bevegelsesvei på ca. 5 cm tilstrekkelig for å utføre alle tenkelige løfte- og senkebevegelser. Anodestavene kan derfor gjøres meget korte og avstanden fra elektrolysebadet kan likeledes holdes meget liten. Dette fører til en reduksjon av den totale høyde av elektrolysecellen.

Et eksempel på anodelåseinnretningene som benytter hydrauliske klampelementer er vist i den vedlagte fig. 6.

Under henvisning til 6a vises det et toppriss av en anode-låseinnretning 36. Innretningen 36 er festet til en anodebjelke 37 og har en klamp 38 båret på en flens 39 mens klampen 38 befinner seg i engasjement med en anodestav 40 (vist i stiplet linje). Flensene 39 er dreibart festet til en ende av en bærer 41 og har en spaltet del 42 glidbar på en pinne 43. En andre flensende 44 er festet til et stempel 45 som er resiprokt bevegelig i en sylinder 46 som kan settes under trykk. Et par ventiler 47 og 48 er anbragt på motsatte sider av stempelet for å kontrollere trykket. Når ventilen 47 aktiveres blir stempelet skjøvet utover for å åpne låsen (som vist i fig. 6b). Når ventilen 48 er aktivert skyves stempelet innover for å lukke låsen (som vist i fig. 6a). Under henvisning til fig. 6 vises et frontriss av anodelåsen.

Hvis nødvendig kan flensen fjernes, for eksempel når individuelle anodekull brennes ut og må erstattes av nye. Når forandringen i anoder gjennomføres blir begge låser på øvre anodebjelke 23 og nedre anodebjelke 24 åpnet og flensene fjernet slik at anodestaven er fri for fjerning.

Kontroll av ventilene gjennomføres ved en prosesskontroll-mikroprosessor eller en annen kontrollinnretning da ethvert konvensjonelt system som kan benyttes for å styre den resiproke bevegelse av stempelet, kan benyttes. Det skal være klart at den diskuterte låseinnretning og dermed forbundne kontrollsystemer kun er gitt som eksempler og at mange andre låseinnretninger kan benyttes uten å gå utenfor oppfinnelsens ramme.

Ved bruk av to anodebjelker ifølge oppfinnelsen blir anodestavene gitt en, kvasikontinuerlig, nedoverbevegelse, slik at stans, frakobling og "opphenting" ved bruk av en bevegelig hjelpebjelke blir unødvendig. Oppfinnelsen eliminerer også stigninger i badnivået ved samtidig senking og heving av en eller flere anoder slik at det ytterligere badsmeltevolum som fortrenges kompenseres ved det volum av anodekull som heves. Idet man tillater justering av anodene under drift muliggjør man også optimal celleeffektivitet mens man eliminerer behovet for stans for å justere avstanden mellom polene. Som en konsekvens blir celleeffektiviteten øket og cellene forblir on-line i lengere tidsrom, noe som øker produksjonskapasiteten pr. celle.

Den reduserte heve- og senkebevegelse for anodebjelkene tillater en nykonstruksjon av cellene for bruk av en i det vesentlige stiv anodestiger på anode-katodekoblingen og å kunne arbeide uten hjelpetverrbjelker, noe som tidligere førte til komplikasjoner ved drift av hver induviduelle elektrolysecelle. Videre kan anodestavene gjøres meget kortere, noe som fører til betydelige besparelser når det gjelder anodevekt og -materiale.

Mens oppfinnelsen er beskrevet under henvisning til en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium skal det være klart at enhver elektrolysecelle kan trekke fordel av oppfinnelsen. Beskrivelsen av en spindel og drivkombinasjon for samtidig heving og senking av anodebjelkene er illustrerende for en måte å komme frem til den tilsiktede virkning på og det skal være klart at mange innretninger kan ligge innenfor oppfinnelsens ramme når det gjelder å komme frem til midler for å tilveiebringe den riktige cyklus for dualanodebjelkesystemet. Mens bevegelige anoder er beskrevet i forbindelse med faste katoder vil det selvfølgelig være klart at bevegelige katoder med eller uten bevegelige anoder også kan trekke fordel av oppfinnelsens tanke.

Claims (10)

1. Innretning for bevegelse av anoder for innstilling av polavstanden i elektrolyseceller, særlig for aluminiumsmelteelektrolyse, bestående av bevegelige anodebjelker hvortil det på elektrisk ledende måte er festet enkelte anodeblokker via anodestaver, karakterisert ved at det parallelt til og i en varierbar avstand fra den første anodebjelke (23) bevegelig er anordnet minst en ytterligere anodebjelke (24), idet anodebjelkene (23, 24) er anordnet under hverandre og under drift utfører kontinuerlige og mot hverandre løpende løfte- og senkebevegelser, hvorved anodestavene (28) er festet enten til den første eller den andre anodebjelke og der anodebjelkene alltid er forbundet med et motløpende drivverk (24) og via en styringsenhet kan kobles om fra den første til den andre anodebjelke.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at anodestavene (28) er festet mekanisk, hydraulisk eller pneumatisk, og elektrisk ledende, til anodebjelkene (23, 24).

3. Fremgangsmåte for innstilling av polavstanden, særlig for utligning av anodeavbrenningen ved elektrolyseceller, fortrinnsvis ved aluminiumsmelteelektrolyse, ved hjelp av bevegelige anodebjelker hvortil det på elektrisk ledende måte er festet enkelte anodeblokker via anodestaver, hvorved anodestavene (28) efter å ha nådd en endestilling løsgjøres fra anodebjelken og midlertidig holdes i denne posisjon, anodebjelken føres opp og anodestavene (28) derefter festes til anodebjelken, karakterisert ved at anodestavene (28) er festet i vertikal retning til under hverandre anordnede anodebjelker (23, 24) som utfører kontinuerlige og mot hverandre løpende løfte- senkebevegelser, og at anodestavene vekselvis klemmes mot den ene eller den andre anodebjelke (23, 24).

4 . Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at anodestavene (28) omklemmes i den øvre eller nedre posisjon av anodebjelkene (23, 24).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at anodestavene (28), efter at en av anodebjelkene (23, 24) har nådd sin nedre posisjon, omklemmes mot den andre anodebjelke (23, 24) når denne har nådd sin øvre endeposisjon.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 5, karakterisert ved at bevegelsen til de over hverandre anordnede anodebjelker (23, 24) er motløpssynkron.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 6, karakterisert ved at de tilhørige anodestaver (28) klemmes om mot den motløpende bevegede anode bjelke for å øke eller redusere polavstanden for de enkelte anodeblokker (27).

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 7, karakterisert ved at den senkende bevegelse av en del av anodeblokkene utføres samtidig med en hevende bevegelse av den andre del av anodeblokkene for å utligne anodeeffektene hvorved anodeblokkene som skal heves sammen med sine anodestaver kobles til den motløpende og synkende anodebjelke.

9 . Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 8, karakterisert ved at drivverket for heve-senkebevegelsen kort stanses ved omkobling av anodestavene (28) fra den ene anodebjelke til den andre.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 9, karakterisert ved at hevestrekningen for anodebjelkene er begrenset til < 5 cm.