NO315090B1

NO315090B1 - Anordninger for å före ström til eller fra elektrodene i elektrolyseceller,fremgangsmåter for fremstilling derav, samt elektrolysecelle forfremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina löst i en smeltetelektrolytt

Info

Publication number: NO315090B1
Application number: NO20005984A
Authority: NO
Inventors: Johnny Torvund
Original assignee: Servico As
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2003-07-07
Also published as: AU2002223160B2; AU2316002A; US20040050714A1; NO20005984D0; WO2002042525A1; IS6827A; CA2429696A1; CA2429696C; NO20005984L; DE10196967T1; US7192508B2

Description

O ppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører anordninger for å føre strøm til eller fra elektrodene i elektrolyseceller, fremgangsmåter for fremstilling derav, samt en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina løst i en smeltet elektrolytt.

O ppfinnelsens bakgrunn og kjent teknikk

Elelktrolyse er den kjemiske prosess som finner sted ved elektrodene når likestrøm sendes gjennom en elektrolytt i kontakt med elektrodene. Nærmere bestemt blir forbindelser som spaltes til ioner i elektrolytten redusert ved katoden henholdsvis oksidert ved anoden, ved hjelp av påtrykt strøm. Én av de viktigste elektrolyseprosesser er elektrolyse av alumina oppløst i et smeltet halogenidelektrolysebad, eksempelvis et elektrolysebad av kryolitt. Prosessen som benyttes ved fremstilling av aluminium, Hall-Heroult-prosessen som ble oppfunnet samtidig og uavhengig av amerikaneren Hall og franskmannen Heroult, er omtrent hundre år gammel, og er ikke blitt videreutviklet i like stor grad som andre elektrolyseprosesser. Dette skyldes antagelig de ugjestmilde betingelser som er påkrevet for å utøve elektrolysen og for å holde elektrolysebadet i operativ tilstand, eksempelvis temperatur i elektrolytten opp mot 980 °C.

Ved elektrolyse, og da særlig ved elektrolyse av alumina for fremstilling av aluminium, er det betydelige tap i form av redusert strømutbytte og varmetap, og for fremstilling av aluminium utgjør energikostnaden en svært betydelig andel av totalkostnaden. Teknologi som kunne muliggjøre en mer effektiv strømutnyttelse vil kunne føre til store besparelser. Dette problem gjelder generelt ved elektrolyse, og oppfinnelsen er anvendbar generelt for elektrolyseindustrien, i tillegg til at anvendelse kan finne sted innen andre industrielle områder der tilsvarende problem forefinnes, eksempelvis annen kraftkrevende industri eller i selve kraftnettet. Imidlertid er den foreliggende oppfinnelse spesielt fokusert mot aluminiumsfremstilling.

Begrepene spenningsfall, ledningsevne, motstand og strømutbytte benyttes omvekslende i det etterfølgende slik det finnes naturlig og normalt oppfattes av fagpersoner. Det antas at fagpersoner kjenner sammenhengen mellom begrepene, eksempelvis ved Ohms lov og Faradays lov for elektrolyse, og vet hvordan begrepene har sammenheng med problemstillingen for den foreliggende oppfinnelse.

I celler for elektrolyse av alumina for fremstilling av aluminium blir det i dag i hovedsak benyttet to hovedtyper av anoder, nemlig såkalte forbakte anoder og anoder av Soderbergtypen. Det finnes også ikke-karbon anoder og ikke-karbon katoder, hvilke er relevante for anvendelse med den foreliggende oppfinnelse, men disse har foreløpig ingen eller liten anvendelse og vil derfor ikke omtales spesielt. Anodene er vanligvis utformet av karbon med en indre strømskinne, henholdsvis anodehenger og anodebolt, hvor spenning påtrykkes. Strømmen føres fra de nevnte strømtilførselanordningene gjennom karbonet i anoden og inn i elektrolytten der elektrolyse finner sted, og videre inn i katoden, eventuelt først gjennom et lag av smeltet aluminium på katoden, og til strømnlførselsanordningene i katoden, og derfra eksempelvis i serie til neste elektrolysecelle.

Det er spenningstap over hele elektrolysecellen, hvorav det betydeligste spenningstap finner sted over elektrolytten. Imidlertid er det også spenningstap gjennom strømnlførselsanordningene, dvs. strømskinnene i anodene, dvs. anodehengerne og anodeboltene, og i strømskinnene i katodene. Tatt i betraktning at strømstyrken gjennom en typisk elektrolyseovn for fremstilling av aluminium er mellom 100000 og 300000 ampere i dag, vil selv en liten reduksjon av spenningstapet være av stor betydning.

I anordningene for strømtilførsel blir det i dag som nevnt ovenfor benyttet materialer slik som jern eller stål, eventuelt med ytre deler av kobber eller aluminium, og utformingen er slik at spenningstapet skal bli minst mulig. For enkelhets skyld menes i det etterfølgende med begrepet stål både jern- og stållegeringer.

Strømskinnene i katoden blir i dag fremstilt av massivt stål i delen som innebygges i katoden, eventuelt med endene som stikker ut av elektrolysecellen i et annet materiale med bedre ledningsevne, eksempelvis kobber. Den del av anodehengerene eller anodeboltene som bygges inn i karbon fremstilles i dag i stål, mens den øvre oppadstikkende del via en bimetallovergang fremstilles i aluminium. Dagens anordninger inneholder mange sveiser, vanligvis manuelle sveiser utført i vanskelige sveiseposisjoner, med resulterende dårlig kvalitet med lav ledningsevne og fasthet. Eksempelvis medfører bimetallovergangen tre sveiser, nemlig en manuell i overkant og en i underkant, samt selve bimetallsveisen som er valsesveiset ved høy temperatur og høyt trykk.

I praktisk bruk i dag i anoder og katoder av karbon, i området inne i og nært til elektrodemassen, er det følgelig strømskinner av massivt stål. Det er søkt å erstatte dette materiale med mer ledende materialer nærmere inn mot elektrolysebadet, hvilket i praksis har vist seg svært vanskelig. I patentpublikasjon NO 162083 beskrives en anodehenger for fastholdelse av en karbonholdig anode i celler for fremstilling av aluminium. I henhold til den ovennevnte publikasjon består anodehengeren for fastholdelse av en karbonholdig anode i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroult-prosessen, av en øvre del av et metall så som aluminium, kobber eller stål, som er forbundet med en anodebjelke eller lignende og en nedre strømførende ståldel som er festet til den øvre del og som omfatter et åk med nedadragende nipler hvortil den karbonholdige anode er festet, og den nevnte anodehenger er særpreget ved at den øvre del er festet til den nedre strømførende ståldel ved hjelp av en støpeforbindelse av aluminium eller kobber. I praksis blir åket ifølge NO 162083 fremstilt ved at et hulrom i åket fylles med flytende aluminium som størkner og danner den indre del av åket, som derved skal være mer strømledende. I praksis har imidlertid anodehengeren i henhold til ovennevnte publikasjon vist seg uegnet av ulike årsaker. Det er nærmere bestemt blitt observert at festet mellom det støpte aluminium og stålet ikke har tilstrekkelige mekaniske egenskaper under de ugjestmilde betingelser til å motstå termisk ekspansjon. Bestanddelene faller følgelig fra hverandre, særlig stål/aluminiumforbindelsene, karbonet omkring niplene sprekker opp og karbon kan falle ned i elektrolytten ("cowboy"). Ved både de kjente anordninger og anodehengeren ifølge NO 162083 er det problemer med ujevn strømfordeling, indikert ved ujevn karbontæring.

I patentpublikasjon NO 912202 beskrives en anodehenger av lignende type som nevnt over, med friksjonssveisede nipler, samt en lignende anodebolt. Det har imidlertid vist seg ved praktisk utprøving av nevnte anodehengere og anodebolter at den mekaniske styrke er helt utilstrekkelig, ettersom sveisene går fra hverandre under praktisk anvendelse. Dette menes å skyldes en uheldig utforming av sveisene, idet sveisene er uensartede over sveisearealet med hensyn til materialene som sammenføyes.

Til tross for betydelige bestrebelser på å oppnå forbedringer med hensyn til redusert spenningsfall, har det i praksis vist seg ikke å være mulig å fremkomme med anordninger som funksjonerer. Dårlig termisk ledningsevne er også et problem med de kjente anordninger. Det finnes følgelig ennå et betydelig behov for forbedringer.

Siktemål og teknisk effekt med oppfinnelsen.

Siktemålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe forbedringer med hensyn til redusert spenningsfall, bedre elektrisk og termisk ledningsevne og bedre strømfordeling, ved å gjøre større bruk av materialer med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål som i dag benyttes, og ved å redusere antallet og bedre kvaliteten av sveisene. Med den foreliggende oppfinnelse oppnås bedre ledning av varme og strøm, med derav følgende konsekvenser for driften, hvorav særlig den mulige maksimalstrøm gjennom cellen er viktig, og det oppnås videre forenklinger ved fremstilling, montering, utskifting, prefabrikasjon, innbygging og gjenvinning av anordningene.

Oppsummering av oppfinnelsen.

Målet i henhold til oppfinnelsen imøtekommes høyst overraskende ved valg av bestemte trekk med hensyn til konstruktiv utforming, materialer og fremgangsmåter for fremstilling, i henhold til det som fremgår av de tilhørende patentkrav.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en anordning for å føre strøm til eller fra elektrodene i en elektrolysecelle, idet anordningen har utforming og særpreg slik det fremgår av krav 1.

Vesentlige trekk ved oppfinnelsen er særlig at det ikke forekommer buesveiser eller smeltesveiser i anordningens lengderetning mellom ulike materialer, men derimot friksjonssveis eller induksjonssveis, samt at det ikke gjøres bruk av støpelegeringer, især støpealuminium, men fortrinnsvis renaluminium og bløtt kobber som materiale med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål.

I den detaljerte beskrivelse er ulike aspekter med orøfinnelsen nærmere diskutert.

Foretrukne utførelsesformer av anordninger ifølge oppfinnelsen fremgår av kravene 2-8.

Med oppfinnelsen tilveiebringes det også fremgangsmåter for fremstilling av særlig foretrukne anordninger ifølge oppfinnelsen, slik det fremgår av patentkravene 9 til 12.

Med oppfinnelsen tilveiebringes det også en celle for elektrolytisk fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina løst i en smeltet elektrolytt, særpreget ved at cellen omfatter særlig foretrukne anordninger ifølge oppfinnelsen.

Figurer

Figur 1 er et snitt som prinsipielt illustrerer anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 er en tegning som viser en anodehenger med seks nipler ifølge oppfinnelsen, der den indre kjerne av renaluminium eller kobber er indikert i to av niplene, med to ulike overganger til den underliggende massive stålnippel. Figur 3 er et snitt gjennom en anodehenger med tre nipler ifølge oppfinnelsen. Figur 4 er et snitt gjennom en ytterligere anodehenger med fire nipler ifølge oppfinnelsen.

Figur 5 illustrerer en anodebolt ifølge oppfinnelsen.

Figur 6 illustrerer katodestrømskinner ifølge oppfinnelsen.

Figur 7 viser noen ytterligere utførelsesformer av anordningen ifølge oppfinnelsen. Figurene 8 og 9 viser ytterligere katodestrømskinner ifølge oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

Det henvises til figur 1, der det illustreres en anordning (1) for å føre strøm til eller fra elektrodene i en elektrolysecelle, hvilken anordning både gir økt varmeledning bort fra elektrolysecellens elektrolysebad og redusert elektrisk spenningsfall, og derved mulighet for elektrolyse ved økt strømmengde/strømtetthet og redusert spenningsfall, hvor anordningen i retning mot elektrolysecellen omfatter tre typer segment; minst ett ytre segment (2) sammenføyd med minst ett mellomsegment (3) som videre er sammenføyd med minst ett indre segment (4); hvor det ytre segment (2) har minst en ende (5) som skal stikke ut fra en elektrodemasse (6) mot en ytre strømkrets, og det ytre segment går over i minst ett mellomsegment (3) som igjen går over i minst ett indre segment med minst en seksjon (4) eller ende (7) i elektrodemassen; hvor det indre segment (4) er fremstilt av stål, mellomsegmentet er fremstilt med stålkledning (8) over en indre kjerne av et materiale (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål, og det ytre segment er fremstilt av et materiale (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål,

og anordningen eller dennes bestanddeler er eventuelt påført belegg,

og anordningen har eventuelt ekspansjonsfuger eller bøybare segment for å oppta temperaturindusert vandring, og anordningen er særpreget ved at

materialet (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål er valgt blant aluminium, aluminiumlegeringer, kobber, kobberlegeringer og sølv, fortrinnsvis renaluminium og bløtt kobber,

mellomsegmentet med kjerne av materialet (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål strekker seg inn i elektrodemassen, og

at sammenføyningen mellom det indre segment og mellomsegmentet er ved en friksjonssveis eller induksjonssveis mellom den indre kjerne i mellomsegmentet og en stålinnsats med dimensjoner tilsvarende nevnte indre kjerne, idet stålinnsatsen i en ende er friksjonssveiset eller induksjonssveiset mot mellomseksjonens indre kjerne (10) og i den andre ende er friksjonssveiset eller induksjonssveiset (11) mot det massive indre stålsegment, hvor sistnevnte sveis også omfatter den ytre stålkledning (8).

Renaluminium og bløtt kobber, som smelter ved henholdsvis 658,5 °C og 1083 °C, er fortrinnsvis materialene til erstatning av stål. Andre materialer kan også være aktuelle, eksempelvis andre aluminiumlegeringer, legeringer med mye kobber, og sølv, men særlig sveisbarheten og prisen er begrensende faktorer. Aluminium forskjellig fra renaluminium kan være anvendbart, eksempelvis ulike aluminiumlegeringer, men disse gir generelt dårligere sveisekvalitet ved de obligatoriske sveisemetoder, og har dårligere ledningsevne, og den høyere fasthet gjør at ved temperatuirnduserte bevegelser følges stålets bevegelser dårligere. Av tilsvarende årsaker foretrekkes bløtt, rent kobber fremfor eksempelvis elektrolytisk kobber, men valg av kobbertype eller -legering er mindre kritisk enn valget av aluminium fordi sveisbarheten er bedre. Andre materialer, eksempelvis sølv, er mest aktuelle som eventuelle belegg. Imidlertid kan det være fordelaktig å begrense bruken av ulike materialer for å unngå kontaktspenningsfall mellom ulike materialer og for å holde sammenføyninger og fremstilling enkel. Det er derfor generelt mest foretrukket å benytte renaluminium som kjerne i anordninger der temperaturen i kjernen kan holdes under ca 400 °C under drift, og kobber som kjerne der temperaturen under drift kan holdes under ca. 780 °C, i begge tilfeller med et indre segment av massivt stål i retning mot elektrolysebadet. Anordninger med både stål, kobber og renaluminium i kjernen er anvendbare, men er i henhold til det ovennevnte bare spesielt foretrukne der dette er beskrevet nedenfor. Det ligger innenfor fagpersoners kompetanse å prøve ut ulike varianter av anordninger med stål, renaluminium og/eller kobber under hensyn til pris, spenningsfall, temperatur i kjernen, letthet ved fremstilling og utskiftning, og andre aspekter nevnt eller diskutert i beskrivelsen.

Problemene med dårlig kontakt elektrisk og trolig også termisk mellom det bedre ledende materiale og stål, synes å være overvunnet ved å benytte friksjonssveiser eller induksjonssveiser i henhold til oppfinnelsen. Det fremkommer derved trolig bedre sveiser over hele tverrsnittet, med betydelig lavere innhold av oksider og andre uønskede forbindelser. I overgangen mot massivt stål i lengderetningen er det påkrevd å benytte et mellomstykke eller en innsats av massivt stål, eksempelvis en mindre nippel med diameter eller tverrsnittmål lik eller mindre enn materialet med bedre ledningsevne, fordi dette overraskende gir en betydelig forbedring av sveisekvaliteten og enkelhet ved fremstillingen. En ensartet sveis over hele sveisens tverrsnitt, sammen med de foretrukne materialvalg og konstruktive trekk, synes å være vesentlig. Eventuelle problemer med rekrystallisering av renaluminium synes overraskende å være eliminert ved valg av sveisemetodene og fremgangsmåtene for fremstilling i henhold til oppfinnelsen.

Det benyttes hensiktsmessig 99,5 vekt% renaluminium eller aluminium av renere kvalitet, fortrinnsvis 99,9 vekt % renaluminium.

I en foretrukken utførelsesform er stålinnsatsen mellom mcllomsegmentets indre kjerne og det indre segment utformet med en forsenkning inn i mellomsegmentets indre kjerne. Derved oppnås større sveiseareal og bedre mekanisk, elektrisk og termisk sammenføyning.

I det etterfølgende vil noen særlig foretrukne utførelsesformer beskrives i nærmere detalj.

Det henvises først til figur 2 som er et riss av en anodehenger (1) med seks nipler, med typisk ytre utforming, figur 3 som er et snitt av en anodehenger med tre nipler, og figur 4 som er et snitt av en annen anodehenger med fire nipler. På figur 2 er overgangen mot massiv stålnippel i henhold til utførelsesformene vist på figurene 3 og 4 indikert i hver sin nippel, ved henholdsvis den høyre skravering for figur 3 og den venstre skravering for figur 4. Slik det er indikert i figur 2 strekker kjernen av bedre ledende materiale seg ut til å dekke det meste av nippellengden, slik det er indikert for to nipler.

Det henvises til figur 3 som viser en anordning for strømtilførsel til en anode av den forbakte type av karbon eller ikke-karbon, nærmere bestemt en anodehenger (12), for elektrolytisk fremstilling av aluminium, hvor anordningen omfatter en øvre del (13) fremstilt av renaluminium eller kobber, en nedre del (14), et såkalt åk, hvor de øvre deler av åket (14) har en kjerne (15) av renaluminium eller kobber med stålkappe (16), og de nedre deler av åket omfatter nipler (17) av massivt stål; hvor overgangen (18) fra den øvre del til åkets kjerne er uten en bimetallovergang, men istedenfor med en enkelt sveis renaluminium-renaluminium eller kobber-kobber av type friksjonssveis, induksjonssveis eller buesveis eller med sveis renaluminium-kobber av type friksjonssveis eller induksjonssveis eller er utformet i ett massivt stykke; hvor den indre kjernen (15) av renaluminium eller kobber i åket (14) er krympepasset inn i den ytre stålkappe (16) eller den ytre stålkappe er kledd rundt kjernen, i den nedre del av kjernen (15) er det friksjonspåsveiset eller induksjonspåsveiset små stålnipler (19), hvortil det senere er blitt friksjonspåsveiset eller induksjonspåsveiset større massive stålnipler (17), hvor niplene eventuelt har bladlignende form eller tredimensjonal dendrittform eller korrugert form, og hvor anordningens øvre del av renaluminium eller kobber eventuelt er med stor overflate og/eller stort tverrsnitt for øket varmeledning, og/eller med ekstern kjøling, og anordningen eventuelt er utstyrt med en eller flere ekspansjonsfuger som opptar temperatuirndusert vandring.

Det henvises videre til figur 4, som viser en litt forskjellig anordning for strømtilførsel til en anode av den forbakte type av karbon eller ikke-karbon, nærmere bestemt en anodehenger (20), for elektrolytisk fremstilling av aluminium, hvor anordningen omfatter en øvre del (21) fremstilt av renaluminium eller kobber, en nedre del (22), et såkalt åk, hvor de øvre deler av åket (23) har en kjerne (23) av renaluminium eller kobber med stålkappe (24), og de nedre deler av åket omfatter nipler (25) av massivt stål; hvor overgangen (26) fra den øvre del til åkets kjerne er uten en bimetallovergang, men istedenfor med en enkelt sveis renaluminium-renaluminium eller kobber-kobber av type friksjonssveis, induksjonssveis eller buesveis, eller med sveis renaluminium-kobber av type friksjonssveis eller induksjonssveis eller er utformet i ett massivt stykke; hvor den indre kjernen (23) av renaluminium eller kobber i åket (22) er krympepasset inn i den ytre stålkappe (24) eller den ytre stålkappe er kledd rundt kjernen, i den nedre del av kjernen (23) er det induksjonspåsveiset små nipler (27) av stål eller kobber, hvortil det senere er blitt induksjonspåsveiset større massive stålnipler (25), hvor de små nipler (27) er forsenket inn i åkets kjerne av renaluminium eller kobber i den ene ende (28) og inn i de større massive stålniplene i den andre ende (29).

En annen særlig foretrukken utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen, med henvisning til figur 5, er en anodebolt. På figur 5 vises nærmere bestemt en anodebolt (39) for strømtilførsel til en anode av Soderbergtype for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i en smeltet fluoridelektrolytt, hvor anodebolten omfatter en øvre del (31) av renaluminium og/eller kobber med en lavereliggende del (32) med kjerne av renaluminium og/eller kobber som er krympepasset eller innkapslet i en stålkapsling (33), og en nedre del (34) av massivt stål, hvor sveiseforbindelsen (35) mot det massive stål (34) er i form av en friksjonssveis eller en induksjonssveis, via en mindre nippel (36) av stål eller kobber, og hvor overflaten (37) inn mot kjernen eventuelt er metallisert og overflaten (38) ut mot elektrodemassen eventuelt er påført belegg, eksempelvis et belegg inneholdende wolfram.

Det eventuelle ytre belegg gir bedre beskyttelse mot oppadstigende gasser, eksempelvis oksygen, karbondioksid og halogenholdige gasser, og det er observert opp til en doblet levetid for anodebolter med slikt belegg.

En tredje særlig foretrukken utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen, er en katodestrømskinne (ofte betegnet katodestål). Det henvises til figur 6 som viser en katodestørmskinne (39) for å føre strøm fra katoden i en celle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i smeltet elektrolytt, hvor anordningen (39) omfatter ett indre segment (40) av stål, hvor det indre segment i en eller begge ender går over i et mellomsegment (41) med en kobberkjerne (42) belagt med utvendig stålkledning (43), og et ytre segment (44) av kobber videre ut fra mellomsegmentet, idet den ytre stålkledning (43) på mellomsegmentet omfatter påsveiset flatjern eller jern/stål av annen form som kan omslutte den indre kobberkjerne (42), der flatjemet (43) er metallisert med kobber på flatene (45) som vender inn mot kobberkjemen, der det ytre segment (44) av kobber strekker seg ut lengre enn den ytre stålkapsling, tilstrekkelig til at ved innføring i en elektrolysecelle kan det ytre segment (44) stikke ut av elektrolysecelleveggen mens stålkapslingen så vidt vil stikke ut av elektrolysecelleveggen, hvor de utstikkende kobberender (44) har utforming for å friksjonspåsveises eller induksjonspåsveisen en del (46) av kobber eller renaluminium som går direkte over i en utenforliggende strømkrets eller har utforming for å kobles dertil via en kopp (47) eller en lask av kobber eller renaluminium, en skruforbindelse eller en skjellforbindelse.

Oppfinnelsen omfatter ytterligere utførelsesformer innenfor oppfinnelsens ide og omfanget av den foreliggende patentsøknad. Noen av de ytterligere utførelsesformer er illustrert på figur 7, hvor henvisningstallene 48 til 53 viser til anodehengere, henvisningstall 54 viser en ytterligere anodebolt, og henvisningstallene 55 til 59 viser til katodestrømskinner. For katodestrømskinnene illustreres for henvisningstallene 55 til 59 kobling til den ytre strømkrets ved henholdsvis hurtigkobling, laskforbindelse, skruforbindelse, induksjonssveis og skjellkobling.

Det henvises også til figurene 8 og 9, som illustrerer noen ytterligere katodestrømskinner 60,61, 62,63, med induksjonspåsveiset kobberbolt eller -stang av henholdsvis kortere og lengre lengde, og tilkobling mot den ytre strømkrets.

Oppfinnelsen omfatter også fremgangsmåter særlig egnet for fremstilling av anordningene ifølge oppfinnelsen, nærmere bestemt de mest foretrukne utførelsesformer.

Følgelig omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av en anodehenger ifølge oppfinnelsen, ifølge krav 3, hvorved små stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til massiv renaluminiumbolt eller kobberbolt av lik diameter; den ytre stålkappe påføres eventuelle belegg på ut- og innsiden; den ytre stålkappe krympepasses eller kles på den indre kjerne av renaluminium eller kobber i åket; de nedre massive stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til de mindre stålnipler og de nedre deler av kjernen i åket med ytre stålkappe; den øvre del sveises til renaluminiumet eller kobberet i åket, hvorved den øvre del av renaluminium eller kobber enten går direkte over i én eller flere av niplene i åket, hvortil de resterende nipler med kjerne av renaluminium eller kobber sveises, eller sveises direkte til kjernen i åket, uten buesveis eller smeltesveis ved sammenføyning av ulike materialer, men med friksjonssveis eller induksjonssveis; åket utformes til påtenkt form, fortrinnsvis ved å induksjonsbøye niplene i området med kjerne av renaluminium eller kobber til tiltenkt posisjon, valgfritt før, imellom eller etter sveisingen.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for fremstilling av en annen anodehenger ifølge oppfinnelsen, ifølge krav 6, hvorved små nipler av stål eller kobber induksjonssveises til massiv renaluminiumbolt eller kobberbolt av større diameter eller tverrmål, hvori det er utformet en forsenkning tilpasset den mindre nippel; de små nipler av stål eller kobber induksjonssveises til de massive stålnipler med større diameter eller tverrmål ved induksjonssveising, hvorved det på forhånd er dannet forsenkning tilpasset den mindre nippel i den massive større stålbolt; den ytre stålkappe påføres eventuelle belegg på ut- og innsiden; den ytre stålkappe krympepasses eller kles på den indre kjerne av renaluminium eller kobber i åket; den øvre del sveises til renaluminiumet eller kobberet i åket, hvorved den øvre del av renaluminium eller kobber enten går direkte over i én eller flere av niplene i åket, hvortil de resterende nipler med kjerne av renaluminium eller kobber sveises, eller sveises direkte til kjernen i åket, uten buesveis eller smeltesveis ved sanunenføyning av ulike materialer, men méd friksjonssveis eller induksjonssveis; åket utformes til påtenkt form, fortrinnsvis ved å induksjonsbøye niplene i området med kjerne av renaluminium eller kobber til tiltenkt posisjon, valgfritt

før, imellom eller etter sveisingen.

Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av en anodebolt ifølge oppfinnelsen, ifølge krav 7, hvorved små stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til den lavereliggende del av renaluminiumet eller kobber, hvorved stålnippelen har diameter lik eller mindre enn renaluminium eller kobberet; hvorved den

nedre del av renaluminium eller kobber krympepasses eller kles med en ytre stålkappe;

i hvorved en nedre del av massivt stål sveises ved friksjon eller induksjon, via stålnippelen, til den indre kjerne av renaluminium eller kobber, hvorved den nedre del av renaluminium eller kobber går direkte over til den øvre del av renaluminium eller kobber eller sveises til denne del, i tilfellet av sveis mellom samme materialer, ved induksjon,

friksjon, elektronstråle, laser eller buesveis; hvorved eventuelle belegg på forhand er lagt o på stålet på overflaten rundt omkretsen mot den indre kjerne og på overflaten mot elektrodemassen.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for fremstilling av en katodestrømskinne ifølge oppfinnelsen, ifølge krav 8, hvorved det indre massive

stålsegment klargjøres ved å buesveise på en stålforskaling, eksempelvis i en høyde på 50 is mm, hvorved stålsegmentet står på høykant og stålforskalingen er tilpasset med åpning for den indre kobberkjerne i mellomsegmentet, hvorpå kobberkjemen settes oppi forskalingen og induksjonssveises til den indre massive stålkjerne, i en eller begge ender, hvorpå kobberkjemen bekles med 4 metalliserte flatjern eller flatstål, hvorpå de fire flatjern presses mot og fastholdes i posisjon mot den indre kobberkjerne under høyt trykk

hvorpå kobberkjemen bekles med 4 metalliserte flatjern eller flatstål, hvorpå de fire flatjern presses mot og fastholdes i posisjon mot den indre kobberkjerne under høyt trykk og høy temperatur, mens de fire flatstålene buesveises sammen, og de ytre endene bearbeides før eller etter i henhold til den påtenkte type tilkobling mot den ytre strømkrets.

Oppfinnelsen omfatter videre en celle for elektrolytisk fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina løst i en smeltet elektrolytt, særpreget ved at cellen omfatter anodehengerne ifølge oppfinnelsen og/eller anodebolter ifølge oppfinnelsen, og katodestrømskinner ifølge oppfinnelsen. I en celle finnes typisk eksempelvis 8 anodehengere langs hver langside, altså 16 totalt, eller for celler av Søderbergtype, 48 anodebolter. Det finnes eksempelvis 26 til 48 katodestrømskinner per celle i dag. Antallene kan være utenfor de ovenfor angitte.

Dimensjoner, tverrsnittsform og antall av anordningene ifølge oppfinnelsen, og fremgangsmåter for fremstilling, er typiske i henhold til kjent teknikk, eller kan velges på grunnlag av typiske betraktninger av fagpersoner, under forutsetning av at oppfinnelsens særpreg ivaretas.

Eksempel

En anodehenger i henhold til oppfinnelsen ble fremstilt ved den særlig foretrukne fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen, beskrevet for anordningen ifølge krav 3. Det ble benyttet friksjonssveising for sammenføyning mot de massive stålniplene og en mindre stålnippel, og fra den mindre stålnippel mot kjernen av 99,5 vekt % renaluminium. Målinger av elektriske parametre var mellom punktene a og b på figur 3, og temperaturen ble målt under b i figur 3. Den massive bolt av renaluminium i niplenes kjerne var med diameter 100 mm, den friksjonspåsveisede mindre stålnippel var med diameter 100 mm og lengde 50 mm, den ytre stålkappe var et rør med ytre diameter 140 mm og indre diameter 100 mm. Den nedre massive stålnippel var med diameter 140 mm. Den øvre del med dimensjoner 170 x 120 mm av renaluminium ble buesveiset til åket og den øvre del av åket ble kledd med stålkappe ved manuell buesveising. Merk at de oppgitte dimensjoner kun er typiske dimensjoner for en anodehenger, og at dimensjonene kan variere betydelig. Friksjonssveisingen ble utført med utstyr og prosedyrer fra Blacks Equipments, Doncaster, England. Resultatet av målingene er gitt i tabellene 1 og 2.

Slik det fremgår av tabell 1 ble motstanden over den faste måledistansen redusert fra typisk 5-6 mikroohm til typisk 1,3 mikroohm. I en celle er det typisk 16 anodehengere og den totale strømmengde over cellen er typisk ca 150 kA. Spenningsfallet over anodehengeren reduseres med ca 30 mV, og beregnet i henhold til Faradays lov for elektrolyse blir det per år per celle over 1,5 tonn ekstra aluminium. For et anlegg med eksempelvis 600 ovner blir det derved 900 tonn aluminium ekstra. Strømutbyttet vil øke med ca 1,5 %.

Det antas at forbedringene skyldes at den foreliggende oppfinnelse medfører bedre muligheter for utøvelse av elektrolyse ved høy strøm og lavt spenningsfall, uten at prosessforstyrrelser oppstår.

Slik det fremgår av tabell 2 blir det en betydelig temperaturreduksjon i niplene med anodehengeren ifølge oppfinnelsen, idet temperatursenkningen var i området fra 44 til 189 °C. Nippeltemperaturen sank fra i gjennomsnitt 381 °C til i gjennomsnitt 272 °C. Implikasjonene er betydelige med hensyn til strøm og varmetap, eksempelvis blir det mulig å øke strømstyrken uten at prosessforstyrrelser oppstår. Temperaturreduksjonen skyldes at renaluminium er en langt bedre temperaturleder enn stål. Lignende virkning vil oppnås med kobber. Det anses at forhold med hensyn til stadig lavere strømningshastighet i smeltebadet, medførende lavere varmeovergangstall bad/belegg og metalLtøelegg, hvilket forsterker behovet for bedre varmeledning gjennom strømtilførselsanordningene.

Fagpersoner vil utfra patentkravene og beskrivelsen med tilhørende figurer kunne fremkomme med mange ulike utførelsesformer som ikke er spesifikt omtalt men som ligger innenfor oppfinnelsens ide og omfang slik disse fremgår av patentkravene. Eksempelvis kan det være anvendbart å utelukke det indre segment med massiv stålkjerne, hvorved anordningen kan ha ytre segment, med stålkappe innerst, av renaluminium eller kobber, induksjon- eller friksjonssveiset til mellomsegment av fortrinnsvis kobber, med stålkappe. Det kan videre være fordelaktig med kobberbelegg mot anodebjelken på anodehengere og anodebolter med øvre segment av renaluminium, hvor kobberbelegget (metalliseringen) formes til plogform pekende oppover for å lede bort oksid og annet stoff fra kontaktflaten mot anodebjelken, samt at reparasjon av sårene på kontaktflaten kan forenkles og gjøres billigere.

Claims

1. Anordning (1) for å føre strøm til eller fra elektrodene i en elektrolysecelle, hvilken anordning både gir økt varmeledning bort fra elektrolysecellens elektrolysebad og redusert elektrisk spenningsfall, og derved mulighet for elektrolyse ved økt strømmengde/strømtetthet og redusert spenningsfall, hvor anordningen i retning mot elektrolysecellen omfatter tre typer segment; minst ett ytre segment (2) sammenføyd med minst ett mellomsegment (3) som videre er sammenføyd med minst ett indre segment (4); hvor det ytre segment (2) har minst en ende (5) som skal stikke ut fra en elektrodemasse (6) mot en ytre strømkrets, og det ytre segment går over i minst ett mellomsegment (3) som igjen går over i minst ett indre segment med minst en seksjon (4) eller ende (7) i elektrodemassen; hvor det indre segment (4) er fremstilt av stål, mellomsegmentet er fremstilt med stålkledning (8) over en indre kjerne av et materiale (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål, og det ytre segment er fremstilt av et materiale (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål, og anordningen eller dennes bestanddeler er eventuelt påført belegg, og anordningen har eventuelt ekspansjonsfuger eller bøybare segment for å oppta temperaturindusert vandring, karakterisert ved at materialet (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål er valgt blant aluminium, aluminiumlegeringer, kobber, kobberlegeringer og sølv, fortrinnsvis renaluminium og bløtt kobber, mellomsegmentet med kjerne av materialet (9) med bedre elektrisk og termisk ledningsevne enn stål strekker seg inn i elektrodemassen, og at sammenføyningen mellom det indre segment og mellomsegmentet er ved en friksjonssveis eller induksjonssveis mellom den indre kjerne i mellomsegmentet og en stålinnsats med dimensjoner tilsvarende nevnte indre kjerne, idet stålinnsatsen i en ende er friksjonssveiset eller induksjonssveiset mot mellomseksjonens indre kjerne (10) og i den andre ende er friksjonssveiset eller induksjonssveiset (11) mot det massive indre stålsegment, hvor sistnevnte sveis også omfatter den ytre stålkledning (8), og det forekommer ikke buesveiser eller smeltesveiser i anordningens lengderetning mellom ulike materialer, men derimot friksjonssveis eller induksjonssveis.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at stålinnsatsen mellom mellomsegmentets indre kjerne og det indre segment er utformet med en forsenkning inn i mellomsegmentets indre kjerne.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den er en anordning for strømtilførsel til en anode av den forbakte rype av karbon eller ikke-karbon, nærmere bestemt en anodehenger (12), for elektrolytisk fremstilling av aluminium, hvor anordningen omfatter en øvre del (13) fremstilt av renaluminium eller kobber, en nedre del (14), et såkalt åk, hvor de øvre deler av åket (14) har en kjerne (15) av renaluminium eller kobber med stålkappe (16), og de nedre deler av åket omfatter nipler (17) av massivt stål; hvor overgangen (18) fra den øvre del til åkets kjerne er uten en bimetallovergang, men istedenfor med en enkelt sveis renaluminium-renaluminium eller kobber-kobber av type friksjonssveis, induksjonssveis eller buesveis eller med sveis renaluminium-kobber av type friksjonssveis eller induksjonssveis eller er utformet i ett massivt stykke; hvor den indre kjernen (15) av renaluminium eller kobber i åket (14) er krympepasset inn i den ytre stålkappe (16) eller den ytre stålkappe er kledd rundt kjernen, i den nedre del av kjernen (15) er det friksjonspåsveiset eller induksjonspåsveiset små stålnipler (19), hvortil det senere er blitt friksjonspåsveiset eller induksjonspåsveiset større massive stålnipler (17), hvor niplene eventuelt har bladlignende form eller tredimensjonal dendrittform eller korrugert form, og hvor anordningens øvre del av renaluminium eller kobber eventuelt er med stor overflate og/eller stort tverrsnitt for øket varmeledning, og/eller med ekstern kjøling, og anordningen eventuelt er utstyrt med en eller flere ekspansjonsfuger som opptar temperaturindusert vandring.

4. Anordning ifølge krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at renaluminiumet er 99,5 vekt% renaluminium eller aluminium av renere kvalitet, fortrinnsvis 99,9 vekt % renaluminium.

5. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at den elektriske motstand fra overflaten (a) midt på den øvre del til overflaten midt på nippelen (b) under åket er mindre enn eller lik 1,7 mikro ohm, og at temperaturen i senter under (b) i nippelen er 268-297 °C for ytternippelen, 221-287 °C for midtnippelen og 238-318 °C for innernippelen, ved målinger under drift før kullet utskiftes i anoden.

6. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den er en anordning for strømtilførsel til en anode av den forbakte type av karbon eller ikke-karbon, nærmere bestemt en anodehenger (20), for elektrolytisk fremstilling av aluminium, hvor anordningen omfatter en øvre del (21) fremstilt av renaluminium eller kobber, en nedre del (22), et såkalt åk, hvor de øvre deler av åket (22) har en kjerne (23) av renaluminium eller kobber med stålkappe (24), og de nedre deler av åket omfatter nipler (25) av massivt stål; hvor overgangen (26) fra den øvre del til åkets kjerne er uten en bimetallovergang, men istedenfor med en enkelt sveis renalurninium-renaluminium eller kobber-kobber av type friksjonssveis, induksjonssveis eller buesveis, eller med sveis renaluminium-kobber av type friksjonssveis eller induksjonssveis eller er utformet i ett massivt stykke; hvor den indre kjernen (23) av renaluminium eller kobber i åket (22) er krympepasset inn i den ytre stålkappe (24) eller den ytre stålkappe er kledd rundt kjernen, i den nedre del av kjernen (23) er det induksjonspåsveiset små nipler (27) av stål eller kobber, hvortil det senere er blitt induksjonspåsveiset større massive stålnipler (25), hvor de små nipler (27) er forsenket inn i åkets kjerne av renaluminium eller kobber i den ene ende (28) og inn i de større massive stålniplene i den andre ende (29).

7. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen er en anodebolt (30) for strømtilførsel til en anode av Soderbergtype for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i en smeltet fluoridelektrolytt, hvor anodebolten omfatter en øvre del (31) av renaluminium og/eller kobber med en lavereliggende del (32) med kjerne av renaluminium og/eller kobber som er krympepasset eller innkapslet i en stålkapsling (33), og en nedre del (34) av massivt stål, hvor sveiseforbindelsen (35) mot det massive stål (34) er i form av en friksjonssveis eller en induksjonssveis, via en mindre nippel (36) av stål eller kobber, og hvor overflaten (38) inn mot kjernen eventuelt er metallisert og overflaten (39) ut mot elektrodemassen eventuelt er påført belegg, eksempelvis et belegg inneholdende wolfram.

8. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen er en katodestrømskinne (39) for å føre strøm fra katoden i en celle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i smeltet elektrolytt, hvor anordningen (39) omfatter ett indre segment (40) av stål, hvor det indre segment i en eller begge ender går over i et mellomsegment (41) med en kobberkjerne (42) belagt med utvendig stålkledning (43), og et ytre segment (44) av kobber videre ut fra mellomsegmentet, idet den ytre stålkledning (43) på mellomsegmentet omfatter påsveiset flatjern eller jern/stål av annen form som kan omslutte den indre kobberkjerne (42), der flarjemet (43) er metallisert med kobber på flatene (45) som vender inn mot kobberkjemen, der det ytre segment (44) av kobber strekker seg ut lengre enn den ytre stålkapsling, tilstrekkelig til at ved innføring i en elektrolysecelle kan det ytre segment (44) stikke ut av elektrolysecelleveggen mens stålkapslingen så vidt vil stikke ut av elektrolysecelleveggen, hvor de utstikkende kobberender (44) har utforming for å friksjonspåsveises eller induksjonspåsveisen en del (46) av kobber eller renaluminium som går direkte over i en utenforliggende strømkrets eller har utforming for å kobles dertil via en kopp (47) eller en lask av kobber eller renaluminium, en skruforbindelse eller en skjellforbindelse.

9. Fremgangsmåte for fremstilling av anordningen ifølge krav 3, karakterisert ved at små stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til massiv renaluminiumbolt eller kobberbolt av lik diameter; den ytre stålkappe påføres eventuelle belegg på ut- og innsiden; den ytre stålkappe krympepasses eller kles på den indre kjerne av renaluminium eller kobber i åket; de nedre massive stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til de mindre stålnipler og de nedre deler av kjernen i åket med ytre stålkappe; den øvre del sveises til renaluminiumet eller kobberet i åket, hvorved den øvre del av renaluminium eller kobber enten går direkte over i én eller flere av niplene i åket, hvortil de resterende nipler med kjerne av renaluminium eller kobber sveises, eller sveises direkte til kjernen i åket, uten buesveis eller smeltesveis ved sammenføyning av ulike materialer, men med friksjonssveis eller induksjonssveis; åket utformes til påtenkt form, fortrinnsvis ved å induksjonsbøye niplene i området med kjerne av renaluminium eller kobber til tiltenkt posisjon, valgfritt før, imellom eller etter sveisingen.

10. Fremgangsmåte for fremstilling av anordningen ifølge krav 6, karakterisert ved at små nipler av stål eller kobber induksjonssveises til massiv renaluminiumbolt eller kobberbolt av større diameter eller tverrmål, hvori det er utformet en forsenkning tilpasset den mindre nippel; de små nipler av stål eller kobber induksjonssveises til de massive stålnipler med større diameter eller tverrmål ved induksjonssveising, hvorved det på forhånd er dannet forsenkning tilpasset den mindre nippel i den massive større stålbolt; den ytre stålkappe påføres eventuelle belegg på ut-og innsiden; den ytre stålkappe krympepasses eller kles på den indre kjerne av renaluminium eller kobber i åket; den øvre del sveises til renaluminiumet eller kobberet i åket, hvorved den øvre del av renaluminium eller kobber enten går direkte over i én eller flere av niplene i åket, hvortil de resterende nipler med kjerne av renaluminium eller kobber sveises, eller sveises direkte til kjernen i åket, uten buesveis eller smeltesveis ved sammenføyning av ulike materialer, men med friksjonssveis eller induksjonssveis; åket utformes til påtenkt form, fortrinnsvis ved å induksjonsbøye niplene i området med kjerne av renaluminium eller kobber til tiltenkt posisjon, valgfritt før, imellom eller etter sveisingen.

11. Fremgangsmåte for fremstilling av anordningen ifølge krav 7, karakterisert ved at små stålnipler friksjonssveises eller induksjonssveises til den lavereliggende del av renaluminium eller kobber, hvorved stålnippelen har diameter lik eller mindre enn renaluminium eller kobberet; hvorved den nedre del av renaluminium eller kobber krympepasses inn i eller kles med en ytre stålkappe; hvorved en nedre del av massivt stål sveises ved friksjon eller induksjon, via stålnippelen, til den indre kjerne av renaluminium eller kobber; hvorved den nedre del av renaluminium eller kobber går direkte over til den øvre del av renaluminium eller kobber eller sveises til denne del, i tilfellet sveis mellom samme materialer, ved induksjon, friksjon, eller buesveis, i tilfelle sveis mellom ulike materialer, ved induksjon eller friksjon; hvorved eventuelle belegg på forhånd er lagt på stålet på overflaten rundt omkretsen mot den indre kjerne og på overflaten mot elektrodemassen.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av anordningen ifølge krav 8, karakterisert ved at det indre massive stålsegment klargjøres ved å buesveise på en stålforskaling, eksempelvis i en høyde på 50 mm, hvorved stålsegmentet står på høykant og stålforskalingen er tilpasset med åpning for den indre kobberkjerne i mellomsegmentet, hvorpå kobberkjemen settes oppi forskalingen og induksjonssveises til den indre massive stålkjerne, i en eller begge ender, hvorpå kobberkjemen bekles med 4 metalliserte flatjern eller flatstål, hvorpå de fire flatjern presses mot og fastholdes i posisjon mot den indre kobberkjerne under høyt trykk og høy temperatur, mens de fire flatstålene buesveises sammen, og de ytre endene bearbeides før eller etter i henhold til den påtenkte type tilkobling mot den ytre strømkrets.

13. Celle for elektrolytisk fremstilling av aluminium ved elektrolyse av alumina løst i en smeltet elektrolytt, karakterisert ved at cellen omfatter anordninger ifølge krav 3 og/eller anordninger ifølge krav 6 og/eller anordninger ifølge krav 7, og anordninger ifølge krav 8 og/eller 9.