NO332480B1 - Elektrolysecelle samt fremgangsmate for drift av samme - Google Patents

Abstract

En framgangsmåte og forbedringer i forbindelse med en elektrolysecelle, der cellen innbefatter en stort ett horisontal katode (4) av et elektrisk ledende materiale og dessuten har innkapslede strømledere som for eksempel horisontale samleskinner. Cellen innbefatter også et strømskinnesystem. Cellen drives med en forbedret fordeling av elektrisk strøm, mens den nevnte katoden innbefatter minst ett stort sett vertikalt strømuttak (6).

Description

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om forbedringer ved en elektrolysecelle og en framgangsmåte for drift av cellen. Spesielt dreier oppfinnelsen seg om den elektriske strømfordelingen i en celle av Hall-Héroult-typen for produksjon av aluminium.

TEKNISK FELT FOR OPPFINNELSEN

For å kunne forstå oppfinnelsen godt, må man først og fremst være oppmerksom på at aluminium produseres industrielt ved elektrolyse i celler som er koblet sammen elektrisk i serie, med en løsning av alumina i smeltet kryolitt som ved hjelp av varmeeffekten fra strømmen som går gjennom cellen. Cellen er oppvarmet vanligvis til mellom 940 og 980 °C.

Hver celle består av en isolert stålbeholder formet som et parallellepiped, og denne understøtter en katode som inneholder ferdigbrente karbonblokker med noen innkapslede stålstenger som kalles samleskinner for katodestrømmen, og som leder strømmen ut av cellen, tradisjonelt omtrent halvparten fra hver av langsidene til cellen. Samleskinnene for katodestrømmen er koblet til strømskinnesystemet, som leder strømmen fra katodene i én celle til anodene i den neste. Anodesystemet, som består av karbon, stål og aluminium, er festet på en såkalt «anoderamme», med anodestenger som kan justeres i høyden og står i elektrisk kontakt med katodestengene i foregående celle.

Elektrolytten, det vil si løsningen av alumina i smeltet kryolittblanding ved 940-980 °C, befinner seg mellom anodesystemet og katoden. Det produserte aluminiumet avsettes på katodens overflate. I bunnen av katodedigelen vil det alltid være et lag flytende aluminium. Siden karet er rektangulær, er anoderammen som anodene er montert i, vanligvis parallell med langsidene, mens katodestengene er parallelle med kortsidene, som gjerne kalles cellehoder.

Det meste av magnetfeltet i cellen dannes av strømmen i anoden og katodesystemet. Alle andre strømmer vil perturbere dette magnetfeltet.

Cellene stilles opp i rekker og kan plasseres jamsides på tvers av produksjonslinjen med kortsidene parallelle med produksjonslinjen. Alternativt kan de plasseres ende mot ende slik at langsidene blir parallelle med produksjonslinjen. En produksjonslinje representeres vanligvis med to cellerekker. I de to rekkene har strømmen motsatt retning. Cellene er koblet elektrisk i serie, og serieendene kobles til den positive og negative polen på en elektrisk substasjon for likeretting og kontroll. Det oppstår sterke magnetfelt på grunn av den elektriske strømmen som går gjennom de forskjellige ledende elementene: anode, elektrolytt, flytende metall, katode og lederne som forbinder disse med hverandre. Sammen med den elektriske strømmen i den flytende elektrolytten og metallet danner disse feltene grunnlaget for den magnetohydrodynamiske (MHD) oppførselen til elektrolytten og det flytende metallet i karet. De såkalte Laplace-kreftene, som danner strømninger i elektrolytten og metallet, som har en ugunstig innvirkning på den stabile driften av cellen. Dessuten vil også utformingen av cellen og strømskinnekonfigurasjonen virke inn på hvordan den elektriske strømmen som går gjennom cellen fordeler seg. Det må være klart at oppfinnelsen kan implementeres både i celler som er oppstilt side ved side og i celler som er stilt opp ende mot ende.

Til vanlig er det arrangementet av anodene i cellen som hovedsakelig virker inn på strømfordelingen gjennom anodesystemet, i tillegg til utformingen av nippel-konfigurasjonen i anodeopphenget og grensesnittet mellom dem og den individuelle anoden.

Katodesystemet er normalt utformet slik at samleskinnene er innkapslet i vannrett stilling i de individuelle katodeblokkene. Denne teknologiske løsningen har vist seg å være svært pålitelig og gir få problemer med lekkasje av smelte eller bad gjennom katodesystemet. Dessuten vil samleskinnene være beskyttet av katodematerialet rundt dem (karbonbasert materiale) som er meget motstandsdyktig mot høy temperatur og korrosjonsangrep. Til vanlig fanger strømskinnene opp strømmen utenfor katodekassen. En mangel ved denne kjente teknikken er at strømfordelingen i katodesystemet vil være mer intens i periferien av katodeblokkene enn andre steder. Dessuten vil en teknologi som baserer seg på homogen innkapsling av samleskinner i spalter som dannes på undersiden av katodeblokkene, gi en strømfordeling som synker ganske proporsjonalt med avstanden fra strømskinneoppsamleren langs samleskinnen innover mot den andre enden av katodeblokken. Derfor bør det være en fordel å kunne fordele strømmen på en måte som kan defineres på forhånd, og i mer hensiktsmessige områder av katodesystemet, for å oppnå en jevnere strømfordeling.

FRAMSTILLING AV PROBLEMET

Utformingen av katodestrømfordelingen og det tilsvarende strømskinnesystemet for aluminiumsproduksjonsceller er anerkjent som en av de mer kvalifiserte nøkkelaktivitetene når det gjelder å utvikle en konkurransedyktig teknikk for aluminium-reduksjons teknologi.

Formgiveren må ha flere frihetsgrader i prosessen med å utvikle et optimalt katodesystem, og bruke ferdighetene sine til å velge en konfigurasjon (topologi) som kan gi optimal strømfordeling.

Det er kjent at det burde være mulig å forbedre strømfordelingen i katodesystemet hvis strømmen kunne ledes bort fra katodesystemet ved punkter eller områder som er valgt på forhånd ved hjelp av beregninger og simulering. Dette vil imidlertid innebære at katodesystemet bør gjennomtrenges av strømledere eller plugger iallfall delvis fra bunnen og oppover, og at det fortrinnsvis kobles til horisontale samleskinner ved hjelp av disse. I dag finnes det ennå ikke noen velprøvd løsning for realiseringen av et slikt konsept med vertikale strømuttak i bunnen av katoden.

DEN KJENTE TEKNIKKEN

EP 345959 A1 og GB 816587 viser elektrolyseceller med strømuttak i bunnen. Det er vist katodestål som delvis gjennomløper katoden og som er anordnet et nedad rettet uttak.

DE 3004071 A1 viser en elektrolysecelle med oppdelt katodestål. Istedet for tradisjonell anbringelse av sideuttak på motstående sider er sideuttakene anbrakt på samme side, på ulikt vertikalt nivå.

NO 165203 B1 angår undertrykking av magnetiske forstyrrelser i forbindelse med elektrolyseceller og anbringelse av strømuttak i katoden samt det tilhørende skinnesystem.

Ingen av de ovennevnte publikasjoner viser bunnuttak som har et avsmalnende parti.

SU 1444402 A1 angår et strømuttak i bunnen av en elektrolysecelle. En vertikal strømleder (9) er forbundet med et bunnkull (12) ved hjelp av en støpejernsfylling (11). Det fremgår ikke bunnuttak som har et avsmalnende parti nedad, siden strømlederen (9) synes å forløpe i hovedsak som et parallellepiped ut av katoden.

US patent 3,470,083, ansøkt i oktober 1964, framlegger en katodebunn i en elektrolysecelle med strømledere satt inn vertikalt i katoden. I vertikale hull i katoden settes det inn sylindriske plugger som innkapsles i et materiale som helles i hullet. Det foreslåtte materialet kan bestå enten av en karbonmasse eller være en stivnet metallsmelte, for eksempel av jern. Med løsningen som presenteres i dette patentet ønsker man å løse problemene med de konvensjonelle samleskinnene, blant annet dem som skyldes forskjellig varmeutvidelse i karbonmaterialet og jernstengene (samleskinnene) og som gir betydelig mekanisk stress med tversgående sprekkdannelse i karbonblokkene. Denne løsningen er altså basert på å bytte ut de vannrette samleskinnene med mange plugger som har forholdsvis liten diameter. På tidspunktet da den ovennevnte patentsøknaden ble levert inn, var en celle som krevde 100.000 ampere definert som en stor celle. I dag vil en celle til vanlig bli definert som stor hvis den krever omtrent 2,5 ganger så mye strøm. Fordi pluggene har forholdsvis lite areal, vil det være altfor høy strømtetthet mellom hver av de individuelle pluggene og katoden selv om det brukes et betydelig antall plugger. Dessuten definerer ikke denne publikasjonen hvordan pluggene skal arrangeres optimalt for å oppnå en jevn strømfordeling, bortsett fra ett regelmessig, symmetrisk mønster som er framstilt på fig. 4-6 der det brukes 132 plugger. Og på grunn av varmekreftene og utvidelse/sammentrekking, vil løsningen med vertikale arrangerte plugger i henhold til denne publikasjonen få høyere motstand på grunn av det ovennevnte begrensede arealet for overføring av strøm og de tilsvarende høye punktvise strømtetthetene. De vertikale hullene i karbonblokkene kan fungere som svekkelsespunkter der det kan dannes sprekker, og hvis antallet plugger økes for å tilfredsstille strøm behovet til dagens store celler, vil det forverre situasjonen ytterligere.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen er det mulig å unngå de ovennevnte manglene. Den foreliggende oppfinnelsen omfatter bruk av vertikale strømledere med optimalisert utforming. Dessuten kan strømlederne (strømuttak) med fordel kobles elektrisk til horisontale samleskinneelementer som kan strekke seg delvis eller helt igjennom katodeblokken. I sistnevnte tilfelle kan ytterenden(e) kobles til strømskinnesystemet i cellen. Den foretrukne avsmalnende (kile- eller kjegleformede) utformingen av strømlederne har vist seg optimal med hensyn til utvidelse og bøying av samleskinneelementene, som normalt er av et strømledende metall. Vinkelen på det avsmalnende strømuttaket velges på grunnlag av betraktninger om mekanisk styrke, spenningsfall og varmetap, og ligger fortrinnsvis i intervallet 5-15° i forhold til det vertikale planet.

Den foretrukne katodestrømfordelingen vil være avhengig av egenskapene til strømskinnesystemet. Hvis eksisterende strømskinnesystemer ombygges for å implementere oppfinnelsen til katodestrømfordelingen kan det være helt forskjellig fra fordelingen i en ny utforming av strømskinnesystemet. Derfor kan den foretrukne andelen av strømmen som ledes ut gjennom de loddrette uttakene ligge i intervallet 20-100 %, der 100 % svarer til en utforming med bare vertikale uttak.

Antall strømledere kan være forholdsvis lavt, for eksempel i en realisering med det vanlige antallet horisontale samleskinner. I henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan MHD-effektene i en elektrolysecelle forbedres, og det er mulig å forenkle strømskinneutformingen til den nevnte cellen ved å gjøre den lettere. Dermed kan investeringsutgiftene reduseres.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen, slik den er definert i de medfølgende patentkravene, kan det oppnås et optimalisert system for katodestrømfordeling som overvinner de viktigste manglene ved de kjente utformingene. Dessuten definerer de medfølgende patentkravene en framgangsmåte for å drive en celle med forbedret katodestrømfordeling.

Den foreliggende oppfinnelsen beskrives nedenfor med figurer og eksempler der:

Figur 1 viser en utforming av en samleskinne i en elektrolysecelle som har

strømuttak i bunnen,

Figur 2 viser detaljer ved de vertikale samleskinneuttakene,

Figur 3a-e viser forskjellige konfigurasjoner av samleskinnearrangementer.

Hensikten med utformingene som beskrives her er å oppnå et lavt fall i katodespenning og jevn eller flat strømfordeling ved overflaten av katodeblokken. Den tilsvarende utformingen av samleskinnen vil også muliggjøre et forenklet strømskinnesystem (lavere vekt og dermed billigere) sammenliknet med en konvensjonell utforming av samleskinnen. En nøkkelfaktor for et vellykket resultat er detaljene rundt de vertikale strøm uttakene. Under drift vil katodeblokken bøye og hive seg oppover. De vertikale samleskinnene må da også ha mulighet til å gli oppover, ellers vil de vertikale strømuttakene bli revet bort fra de vannrette samleskinnene. Figur 1 viser en utforming for en samleskinne i en elektrolysecelle 1 med anode-arrangementer 2, 3 og en katodeblokk 4. Figuren viser strømuttak i bunnen av cellen. Som vist i denne realiseringen av oppfinnelsen, kan cellen ha både vannrette 5, 5' og vertikale 6, 6' strømuttak. Figur 2 viser detaljer ved uttak til vertikale samleskinner. Figuren viser at uttaket har ett vertikalt uttak 25 som kobles til strømskinnesystemet i cellen (ikke framstilt på figuren). Det vertikale uttaket 25 er koblet til en horisontal samledet 23 som er innkapslet i én katodeblokk 4. De vertikale og de horisontale delene kan lages i ett stykke, for eksempel ved støping, eller produseres av to atskilte stykker som er koblet sammen ved sveising eller andre liknende sammenføyningsmetoder som gir god elektrisk ledningsevne. Delene kan bestå av stål eller et hvilket som helst annet egnet materiale.

Som vist på Figuren går det vertikale strømuttaket igjennom bunnen av katodestrukturen. Katodestrukturen innbefatter (ovenfra) én katodeblokk 4, to eller flere lag murstein 20-21 med passende termiske og kjemiske egenskaper, og katodekassen 22, som normalt er lagd av stålplater. Katodekassen kan ha en lavere seksjon i uttaksområdet (ikke framstilt på figuren). Det vertikale uttaket gjennomtrenger de forskjellige lagene i et hull eller en kanal. Utenfor det loddrette uttaket, som kan ha avsmalnende form, er det et beskyttende lag av karbonmateriale 27, med god motstandsdyktighet mot elektrolytten og reaktanter fra elektrolytten. Mellomrommet mellom det beskyttede vertikale uttaket og katodestrukturen kan fylles med et støpbart materiale 26 med god motstandsdyktighet mot kjemisk angrep fra elektrolytten eller reaktanter fra elektrolytten.

Et viktig trekk ved utformingen av loddrette uttak er at strømuttaket er innkapslet i karbonlaget 27 som bidrar til at uttaket kan gli inne i hullet eller kanalen som er fylt med støpbart materiale.

Figur 3a-e viser forskjellige utforminger av samleskinner.

Fig. 3a viser én katodeblokk 4 skjematisk. Den viser tre samleskinner 30, 31 og 32 innkapslet i katodeblokken 4. Det er to horisontale uttak 30', 31' og ett vertikalt uttak 33. Fig. 3b viser to samleskinner 35, 36 innkapslet i en katodeblokk 4. Samleskinnene har horisontale uttak 35' og 36'. I tillegg har samleskinnen 36 ett vertikalt uttak 37. Fig. 3c viser fire samleskinner 40, 41, 43 og 45 innkapslet i en karbonblokk 4. Samleskinnene 45 og 40 har ett horisontalt uttak, henholdsvis 45' og 40'. Samleskinnene 41 og 43 har vertikale uttak, henholdsvis 42 og 44. Fig. 3d viser bare én samleskinne 50 innkapslet i en karbonblokk 4. Samleskinnen har ett horisontalt uttak 50' og ett vertikalt uttak 51. Fig. 3e viser en utforming for samleskinner der en samleskinne 60 er innkapslet i en katodeblokk 4. Samleskinnen 60 har to horisontale uttak 61', 61" og ett sentralt anbrakt vertikalt uttak 62.

Det skal forstås at det også kan oppnås andre kombinasjoner og arrangementer av horisontale og vertikale samleskinneuttak i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Ved det ovennevnte arrangementet er det mulig å arrangere samleskinnene i hver av de individuelle katodeblokkene helt eller delvis slik at loddrette og vannrette strømuttak kombineres på en måte som er fordelaktig med hensyn til å oppnå jevn strømfordeling i cellens katodestruktur.

Hvor mye strøm som fordeles gjennom de individuelle uttakene kan beregnes på forhånd og optimaliseres ved hjelp av designprogramvare og bekreftes ved forsøk.

Claims (13)

1. Framgangsmåte for drift av en elektrolysecelle av Hall-Héroult type, der elektrisk strøm føres inn i cellen gjennom et anodearrangement i den øvre delen av cellen, videre gjennom en elektrisk ledende elektrolytt og så gjennom en stort sett horisontal katode (4), karakterisert vedat elektrisk strøm føres ut av cellen med minst ett stort sett vertikalt strømuttak (25) som har en nedad avsmalnende kile- eller kjegleformet del, idet det nevnte strømuttaket (25) er tilordnet en indre horisontal del (23) for å kunne fange opp mer elektrisk strøm i katoden, og hvor den horisontale del er innkapslet i katoden.

2. Framgangsmåte i henhold til krav 1, der katoden innbefatter minst én innebygd samleskinne, der strøm ledes ut av katoden i minst én horisontal ende av den nevnte samleskinnen, karakterisert vedat mengden av strøm som ledes ut av katoden med det minst ene vertikale uttaket er en forhåndsberegnet andel av den strømmen som ledes ut ved den horisontale enden av samleskinnen.

3. Framgangsmåte i henhold til krav 1-2, karakterisert vedat mengden av strøm som ledes ut med det vertikale uttaket, ligger i området 20-100 % av den totale strømmengden, der 100 % representerer en utforming med bare vertikale uttak.

4. Elektrolysecelle av Hall-Héroult type omfattende en stort sett horisontal katodestruktur av et elektrisk ledende materiale og som dessuten har innkapslet innebygde strømledere slik som horisontale samleskinner, og der cellen også innbefatter et strømskinnesystem, karakterisert vedat den nevnte katodestrukturen innbefatter minst ett hovedsakelig vertikalt elektrisk strømuttak (25) koblet til strømskinnesystemet, idet strømuttaket har en nedad avsmalnende kile- eller kjegleformet del, idet uttaket er forsynt med minst én horisontal strømlederdel (23) som er i elektrisk kontakt med katodematerialet (4) og innkapslet i dette.

5. Elektrolysecelle i henhold til krav 4, karakterisert vedat den nevnte minst ene horisontale strømlederdelen er innkapslet i en spalte som er formet på forhånd i katodematerialet ved hjelp av et pastamateriale eller liknende.

6. Elektrolysecelle i henhold til krav 4, karakterisert vedat den nevnte minst ene horisontale strømlederdelen stikker utenfor katodematerialet og dessuten står i elektrisk forbindelse med strømskinnesystemet.

7. Elektrolysecelle i henhold til krav 6, karakterisert vedat den horisontale strømlederdelen stikker ut av katodematerialet med to ender, som begge står i elektrisk forbindelse med strømskinnesystemet.

8. Elektrolysecelle i henhold til krav 6 eller 7, karakterisert vedat den horisontale strømlederdelen stikker ut av katodematerialet i mindre grad, slik at det blir lett å fjerne og bytte ut katoden i katodekassen.

9. Elektrolysecelle i henhold til krav 6-8, karakterisert vedat den horisontale strømlederdelen er koblet til strømskinnesystemet med fleksible elektriske koblinger.

10. Elektrolysecelle i henhold til krav 6-9, karakterisert vedat koblingen mellom strømskinnesystemet og den horisontale strømlederdelen befinner seg inne i katodemantelen.

11. Elektrolysecelle i henhold til krav 4, karakterisert vedat det nevnte minst ene vertikale strømuttaket er minst delvis innkapslet i et karbon lag.

12. Elektrolysecelle i henhold til krav 4 eller 11, karakterisert vedat det nevnte minst ene vertikale elektriske strømuttaket er minst delvis innkapslet i et støpbart materiale med god motstandsdyktighet mot kjemisk angrep.

13. Elektrolysecelle i henhold til krav 4, karakterisert vedat den nedad avsmalnende kile- eller kjegleformet del har fortrinnsvis en vinkel som ligger i intervallet 5-10° i forhold til det vertikale planet.