NO800727L - Katodiske stroemledere til bruk ved aluminiumreduksjon - Google Patents

Description

Aluminium blir i alminnelighet fremstilt ved hjelp

av "Hall-Heroult"- elektrolysereduksjonsprosessen, hvor aluminiumoksyd oppløst i smeltet cryolit blir elektrolysert ved en temperatur fra 900-1000°C. Prosessen blir utført i en reduk-sjonscelle av pottetypen som i alminnelighet innbefatter en stålmantel, hvis indre er utført med en isolerendéoforing av et egnet tynt smeltelig materiale, som på sin side er utført med en karbonforing, hvor sistnevnte er i kontakt med de smeltede bestanddelene. En eller flere anoder, i alminnelighet fremstilt av karbon, forbundet med den positive polen til en likestrømskilde er opphengt inne i cellen og. en eller flere ledende stenger av jern forbundet med den negative polen til en likestrømskilde er i alminnelighet innleiret i karbonforingen som innbefatter cellébunden som gjør at karbonforingen blir katode ved tilførsel av strøm. Smeltet aluminium blir kontinuerlig elektrolysert ut av aluminiumoksyd-kryoliten, smeltet og samlet på katodekarbonbunnen til cellen og blir kontinuerlig eller periodisk tatt ut. En grunn sump med smeltet aluminium er alltid tilstede, i karbonbunnen til cellen, hvor den smeltede aluminium&umpen funksjonerer som dan aktive katodeoverflaten siden den er i elektrisk kontakt med karbonbunnen .

Tilfredsstillende elektrisk ledning mellom karbonforingen og dens smeltede aluminiumsumpen blir forhindret av karbonoverfla ten og ved akkumulering av uoppløst badmaterial på karbonbunnen til cellen, hvor bunnfall eller forurensninger dannep et isolerende sjikt somøker spenningsfallet over cellen og senker dens effektyteIse.

'Por å øke strømledningen fra katodef or synings skinnen til den smeltede sumpen er det blitt foreslått elektrodeelement-er dannet bl.3. av elektpisk ledende tungtsmeltelig hardt metall, jfr, f.eks. US-patent nr. 3.156.639. Det er også blitt foreslått å binde tynt sjikt med elektrisk ledende tungtsmelte-leg hardt metall til karbonforinger som beskrevet f.eks. i US-patent nr. 3.856\65Q. Dessuten er det kjent å fore cellen ved

å sementere elektrisk ledende tungtsmeltelig harde metallplater til karbonforingen.

Festingen av et sjikt med elektrisk ledende tungtsmeltelig hardt metall eller cementering av tungtsmeltelig harde metallplater til karbonforingen er imidlertid ufordel-aktig ved at dette ikke vil forhindre ulikheter i strømled-ningen til dens smeltede metallsumpen forårsaket av akkumulert bunnfall og enda viktigere er at det tungtsmeltelig harde metallet, når festet eller cementert til karbonforingen, vil tendere til brekkasje på grunn av forskjellen i den termiske utvidelseskoeffisienten mellom det tungtsmeltelige harde metall og karbon.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir formede gjenstander av elektrisk ledende tungtsmeltelig hardt metall an-vendt som katodestrømledeelementer i elektrolyttiske metallreduksjonsceller, hvor nevnte gjenstander ér i. form av plater eller er plateformet,, og er festet til karbonf oringen til cellen og holdt i løs forbindelse med denne ved hjelp av en stift satt inn i karbonf oringen..

De øvrige særegne trekkene ved foreliggende oppfinnelse fremgår av kravene.

Oppfinnelsen skal nå nærmere beskrives ved hjelp av utførelsesformer med henvisning til tegningene, hvor;

Fi.g,. 1 viser et skjematisk tverrsnittsriss av en typisk elektrolyttisk aluminiumreduksjonscelle av pottetypen,

• .. utført med katodestrømledere ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et forstørret tverrsnitt av en katode-Strømleder ifølge oppfinnelsen hvor dens feste til karbonforingen er vist • Fig. 3 viser et forstørret tverrsnitt av en katode-strømleder ifølge oppfinnelsen, hvor festet til karbonforingen er utført på en annen måte enn den vis te på fig. 2. Fig. 4. viser .et skjematisk tverrsnitt av en. annen utførelsesform av en aluminiumre duk s j on s c e11e utført med katodestiDømledere ifølge foreliggende oppfinnelse.. Fig, 5 viser .et f ors tørr.et delsnitt av en del a/V cellen vist på fig, .4, Fig, 1 viser en typi.sik. elektrolyttisk aluminiumreduk-

sjonscelle av pottetypen. Siden konstruksjonen av cellen i og for seg er kjent såvel som dens funksjon vil denne kun bli beskrevet rent generelt for å gi en fullstendig forklaring av oppfinnelsen.

Cellen 10 vist.r på fig. 1 innbefatter en mantel 11,

i alminnelighet av stål, hvis sidevegger og bunn er foret med et isolerende sjikt 20 av tungtsmeltelig materiale som på sin side foret med karbonblokker eller mursteiner 12, som definerer kammer eller potte som inneholder et smeltet bad 13 av en aluminiumsammensetning, d.v.s. aluminiumoksyd, oppløst i en smeltet elektrolytt eller fluss-middel, d.v.s. en sammensetning av aluminiumfluorid i alminnelighet betegnet kryolitt. Opphengt inne i potten er en eller flere anoder, 14 forbundet med en anodespennings-forsyningsskinne 15 og plassert inne i kar-' bonforingen som innbefatter katodebunnen til cellen er en eller flere katodestrømforsyningsstenger 16 forbundet med den nega-'tive polen tii en likestrømskilde. Idrift blir en grunn sump med smeltet aluminium 17 opprettholdt på bunnen av cellen, hvis toppoverflatesajmp effektivt funksjonerer som den aktive katodeoverflaten til cellen, hvor strøm blir ledet fra de inn-: leirede katodes tengene 16 gjennom karbonforingen 12 til den smeltede sumpen 17, og hvor aluminium blir elektrolysert ut av smeltebadet mellom anode og katodeoverf laten.. Drif ttemperaturen til cellen er i alminnelighet mellom 900-lQQ0°;C.

Anordnet i serie på cellebunen er flere, elektrisk ledende tungtsmeltende hardraetallplater eller plateliknende elementer 18, hvor hver av dem er festet til karbonfpringen ved hjelp av en tungtsmeltelig hardmetallstift 19,,

Platene og tilknyttede s ti f ter innbefatter katodestrømledere ifølge foreliggende oppfinnelse kan blir dannet av .ethvert elektrisk ledende tungtsmeltelig hardtmetall, og spesielt karbider og borider av titanlum eller zirkonium. 3> alminnelighet eir platene og stiftene dannet ved fortetning av et fint fordelt pulver av valgt materiale. Fortetningen kan bli utført ved vanlig, teknikk./. d..v.s,Y^a^ppe^lng-. e.3,3,ej]?koldpressing og sintring. Av de tungtsmeltelige harde metaller er titandiborid spesielt foretrukket på grunn av dets gode elektriske ledeevne, termisk stabilitet, uløselighet i og motstandsdyktig i angrep av aluminium, smeltet kryolit og aluminiumoksyd og dets evne til å bli fuktet av smeltet aluminium.

Som vist i nærmere detaljer på fig. 2 er platen festet til karbonforingen ved hjelp av en stift 19 som strekker seg langsgående gjennom en åpning 21 utført i platen 18 og hvor den nedre enden 23 til stiften er innleiret i karbonforingen og festet deri ved cementering som ved 24. Den øvre stift-enden er utført med en forstørret hodedel 22, som har en dia-meter litt større enn åpningen i platen for således å forhindre tilfeldig utstøting av platen, hvor f.,eks. cellen har en hellet bunnkonstruksjon i stedet for en flat bunn. Dersom ønsket kan stiften være forsenket i platen som vist ved 25 på fig, 3. Siden platen ifølge foreliggende oppfinnelse ikke er integrert festet eller cementert til karbonforingen, men holdt i en løs forbindelse med karbonforingen ved hjelp av stiften kan platen fritt utvide seg og trekke seg sammen uav~ hengig av karbonforingen ved .temperaturforandringer i cellen. Bruddødeleggelser eller sprekker i platen på grunn av forskjellen i den termiske iutvl-delsekoeff isi.enten. mellom det tungtsmeltelige hårdmetallet og karbonet som vil være til-fellet hvor platen er festet eller cementert til karbonforingen, vil således bli forhindret.

På ijross- av utførelsesf ormen av oppfinnelsen beskrevet ovenfor og vist på tegningen hvor stiften er permanent innleiret i karbonforingen ved cementering, er det også overveiet at i den videste anvendelse av oppfinnelsen kan stiften væ.re løst innsatt i en tilsvarende åpning utformet i karbonsubstpat^ et, Alternativt kan stiften være festet til karbonsubstratet ved gjenget forbindelse, på tr-os-s av at en slik forbindelse kan bli forhindret sett fra et kostnadsstandpunkt. Dessuten behøver ikke stiftene å være utført med en forstørret hodedel i f.eks. tilfeller hvor kun sidebevegelse av platen skal bli tatt hensyn til.

Dersom cellebunnen hadde vært i hovedskaen flat

kunne naturligvis platene ganske enkelt bli plassert direkte på bunnen og det ville da naturligvis ikke være nødvendig å feste de dertil ved hjelp av en eller annen innretning. Man kunne også f.eks. ganske enkelt fordele jevne eller ujevne formede gjenstander av titandiborid på cellebunnen, d.v.s. steiner, kuler eller også grus.

Bruken av plater festet ifølge foreliggende oppfinnelse gir imidlertid en fordel som ikke er tilstede når platene er ganske enkelt plassert direkte på cellebunnen. Et vanlig problem man møter ved aluminiumreduksjonscellene er forårsaket ved bunnfellingen eller forurensningen hvori uoppløste partikler i smeltebadet faller ut av smeiten gjennom aluminiumsumpen og danner et sjikt på bunnen av cellen. Dette sjiktet av bunnfall eller forurensninger er elektrisk ikke ledende og utøver en isolerende effekt som således reduserer effekten av den strømmen fra karbonet til aluminiumsumpen.

Siden stiftforbindelsen strekker seg inn i karbonforingen uten hensyn av tilstedeværelsen av forurensinger'er stlftakselen innleiret i karbonforingen imidlertid upå^ virket av den akkumulerte forurensningen og gir en uavbjputt bane for den elektriske strømmen fra katodeforsyningsstavene til platen og så til aluminiumsumpen.

Platene kan være anordnet på cellebunnen i enhver ønsket sammenstilling. Por å ytterligere å øke den jevne elektriske ledningen gjennom cellen kan platene også yære an-r ordnet i rekker på sideveggene til cellen.. Dessuten er der ingen spesiell begrensning med hensyn til dimensjonen eller geometrien til platen. D.v.s, de kan være vanlig formet. F.eks. firkantet, rektangulære, sirkulære, trekantformede eller uregelmessig formet og væjre festet til karbonforingen ved flere enn en stiftforbindelse,

Siden tungtsmeltelige harde metaller, d.v.s. titan-

diborid er dyre materialer behøver ikke platen å være hel,,

men være perforert for å spare material. Platene kan dessuten være av en slik størrelse at de er nedsenket i aluminiumsumpen eller deres øvre overflate kan strekke seg inn i kryolitsjikt-et i hvilket sistnevnte tilfelle selve platene ville effektivt funksjonere som aktiv katodeoverflater.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen hvor selve platenes toppflate funksjonerer som aktiv katodeoverflate er vist på fig. 4. På samme måte som ved cellen 10 vist på

fig. 1 innbefatter cellen 30 vist på fig. 4 en stålkappe 31, bunn og sidevegger som er foret med et isolerende sjikt 32

av tungtsmeltelig materiale som er overlagt en foring 33 av karbonblokker ellerStener, som definerer kammer som inneholder et smeltebad 34 av aluminiumoksyd oppløst i kryolit. Opphengt i kammeret er en eller flere anoder 35 og plassert inne i karbonforingen som innbefatter gulvet til cellen er en eller flere katodestrømforsyningsstenger 36.

En åpen kanal eller skål 37 er dannet i karbonforingen til cellebunnen, som deler cellen i symmetriske deler,

hvis kanaler tjener til å føre smeltet aluminiummetall ut av cellen.Driften av cellen er tidligere beskrevet, d.v.s, smeltet aluminium blir elektrolysert ut av smeltebadet mellom anøde-og katodeoverflåtene.

Ved utførelsesformen ifølge oppfinnelsen vist på fig. 4 er imidlertid den aktive katodeoverflate til cellen utført med flere katodestrømledere ifølge foreliggende oppfinnelse, d.v.s. plater eller plateformede elementer 38 festet til ka,r-bonforingene til cellebunnen ved hjelp av stiftinnretninger 39 som tidligere beskrevet. Som vist i nærmere detalj på fig, 5. er flere plater 38 anordnet i rekker, hvor hver plate har en flat bunnoverflate 35 og en hellet toppoverflate 40, hvor nevnte toppoverf late 4.0 heller i retning av skålen 37, Platenes vertikale dimensjon er slik at toppoverflaten til platene alle ligger i hovedsaken i samme plan, som er parallelll med og anbragt med avstand i forhold til hverandre fra den tilsvarende hellede anodes 35 underliggende overflate 41,

Hodene til stiftforbindelsene er fortrinnsvis nedsenket i toppen til platene for således å gi en hovedsakelig glått,

uavbrutt, katodeoverflate. Platene er montert i tilstrekkelig tett nærhet til hverandre for således å gi hovedsakelig rota-sjonsbevegelse om den vertikale stiftaksen, men platene skulle ikke bli montert i en så tett nærhet at fri utvidelse for-hindres .

Den hellede toppoverflaten 40 til platen 38 strekker seg inn i smeltebadet 34 og smeltet aluminium blir elektrolysert ut av badet mellom anodens underliggende overflate

og platenes toppoverflate og danner et tynt sjikt 4 7 på platenes overflate, og strømmer mot og inn i skålen ved hvilkeii smeltet aluminium blir transportert ut av cellen. Siden titaniumdiborid, av hvilket platene fortrinnsvis er fremstilt, i tillegg til dets andre ønskelige egenskaper, nevnt ovenfor,er enkel og lett å fukte ved hjelp av smeltet aluminium, vil smeltet aluminium ikke tendere til å hope seg opp på overflaten nar den blir dannet. Men vil, forme seg i en glatt tynn, film, som tillater ønskelig tett anbringelse med mellomrom mellom de aktive anode: og katodeoverflåtene, Sideveggene og bunnen til, skålen er også fortrinnsvis foret med titandiborid som antydet med, betegnelsen 42 og 4.3,

På tross av at en smeltet a lumi n i ums ump er- opprett-: holdt på karbonbunnen til cellen for å beskytte karbonen fra angpipelse av smeltet kryolit blir sumpens dybde styrt slik at den ikke dekker platenes toppoverflate, Dybden av sumpen kan bli. styrt på vanlig måte ved tilførsel av en demning som strekker seg langs skålen. Som vist på fig. 5 kan demningen 44 være forlengelse av foringen på sideveggen på skålen.

På tross av at cellen vist på fig, 4 viser en skål som deler cellen i to symmetriske deler er det klart at av-hengig av størrelsen på cellene kan det være anbragt flere enn en skål.

Det er videre klart at sjiktet mellom karbonbunnen og platenes underside ikke er fullstendig glatt som vist på tegningene, men at karbonbunnen er i alminnelighet uregelmessig og buktet. Følgelig vil i praksis smeltet metall tendere til å krype under platene og i tillegg fylle det ringform- ede mellomrommet mellom platen og den løst anbragte stiftforbindelse, noe som ikke er skadelig, men heller tjener til å øke den elektriske kontakt og tjener ytterligere til å redu-sere spennings tapet mellom katodestrømf o nsyningsinnretningen og de aktive katodeoverflåtene.

Skjønt oppfinnelsen her er blitt beskrevet med henvisning til spesielle foretrukne utførelsesformer er det klart at mange variasjoner kan bli utført av fagmannen på om-rådet uten å atskille seg fra hensikten og tanken med foreliggende oppfinnelse. F.eks. kan katodestrøm lederne bli an-vendt i enhver smeltemetallproduksjonsprosess hvori eh metallsammensetning eller en metallsammensetning oppløst i en smeltet oppløsning blir elektrolysert mellom anode og katodeoverf later .

Claims (6)

1. Anordning ved en elektrolyttisk metallreduksjons-celle hvori smeltet metall blir fremstilt ved elektrolyse av en sammensetning av metaller oppløst i en smeltet oppløsning mellom aktive anode og katodeoverflater, idet smeltet metall samles i en sump i cellens bunn, idet cellen innbefatter karbonforede sidevegger og en bunn som definerer et kammer inneholdende smeltede bestanddeler, anodeinnretning opphengt i kammeret, katodestrøm-forsyningsinnretning innleiret i karbonf o ringer ved hjelp av hvilke elektrisk strøm blir ledet fra katodestrømforsyningen gjennom karbonforingen til sumpen mellom smeltet metall, karakterisert ved en innretning for redusering av spenningstapet fra katodestrøm-forsyningen til den aktive katodeoverflaten, idet innretningen i det minste har en plate eller plateformet element festet til karbonforingen til cellens bunn og holdt i løs begrensende forbindelse dermed ved hjelp av i det minste en stift, idet stiften gå jgjennom en åpning utformet i flaten, hvor den nedre enden av stiften er satt inn i karbonforingen som der-ved forhindrer sidebevegelse av platen i forhold til den vertikale aksen til stiften, idet platen og tilknyttede stifter er dannet av et ledende tungtsmeltelig hardt metall,.

2. Anordning ifølge krav l.j karakterisert ved at stiftdelen innsatt i karbonforingen er festet dertil ved sementert eller gjenget forbindelse.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at platen eller det plateformede element og tilknyttede stift er dannet av et materiale valgt fra karbider eller borider til titan eller zirkonium.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at materialet av hvilket platen og den tilknyttede stiften er dannet er titandiborid.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at toppoverflaten til platen er dekket av den smeltede aluminiumsumpen, hvorved overflaten til den smeltede aluminiumsumpen tjener som aktiv katodeoverflate.

6. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at toppoverf laten til platen rager inn i den.r smeltede oppløsningen, hvorved toppflaten ti.1 p;La.ten tjener, som aktiv katodeoverflate,.'