NO132158B - - Google Patents

Description

For fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd (A^O-j) opploses denne i en f luoridsmelte som hovedsaklig utgjores av kryolitt, Na^AlF^. Det katodisk utskil vs aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, hvorved overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode.

Ned i smeiten er det ovenfra innfort anoder av amorft karbon.

Ved anoden oppstår ved elektrolytisk spaltning av aluminium-oksydet oksygen, som forbinder seg med anodenes karbon tii CO

og CC^. Elektrolysen finner sted i et temperaturområde mellom ca. 940 og 97 5°C.

Prinsippet for en aluminiumelektrolysecelle med forinnbrente anoder vil fremgå av den vedfoyde figur, som viser et vertikal-snitt i lengderetningen gjennom en del av en elektrolysecelle. Stålkaret 12, som er bekledd med en termisk isolasjon 13 av varmebestandig og varmeoppdemmende material samt med karbon 11, inneholder elektrolyttens fluoridsmelte 10. Det katodisk utskilte aluminium 14 ligger på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av det flytende aluminium utgjor herunder katode.

I karbonbekledningen 11 er det på tvers av cellens lengdretning innfort jernbarrer 17, som forer den elektriske likestrom fra kullstoffbekledningen 11 i cellen, utover isideretning. I fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddukket anoder 18 av amorft karbon, som utgjor likestrdmstilforsel til elektrolytten. Anodene er over stromlederstenger 19 og låseanordninger 20 fast forbundet med anodebjeiken 21. Strommen flyter nå fra katodebarrene 17 i en forste celle til anodebjelken 21 i den folgende celle gjennom konvensjonelle, ikke viste stromskinner. Fra anodebjelken 21 flyter strommen gjennom stromlederstengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonbekledningen 11 til katodebarrene 17. Elektrolytten 10

er dekket av en skorpe 22 av stivnet smelte og et aluminiumoksyd-skikt 23 ovenpå dette. Mellom elektrolytten 10 og den stivnede skorpe 22 oppstår det under drift hulrom 25. På sideveggene av karbonbekledningen 11 danner det seg likeledes en skorpe av stivnet elektrolytt, nemlig kanten 24. Denne kant 24 bestemmer til en viss grad den horisontale utstrekning av badet av flytende aluminium 14 og elektrolytt 10.

Den viste avstand d fra anodens underside 26 til aluminium-overflaten 16, og som også kalles interpolaravstanden, kan forandres ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av et reguleringsverk 27 som er montert på soyler 28.

Ved hjelp av reguleringsverket 27 kan samtidig samtlige anoder heves eller senkes. Anodene kan imidlertid også på kjent måte hver for seg hoydeinnstilles ved hjelp av låseinnretninger 20 anordnet på anodebjelken 21.

Som folge av angrep fra det frigjorte oksygen under elektrolysen forsvinner det hver dag fe anodenes underside et karbonlag av tykkelse 1.5 - 2 cm, i avhengighet av celletypen. Samtidig stiger overflatenivået for det flytende aluminium i cellen likeledes med 1.5 -2cm pr. dag.

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

I praksis drives en celle på en slik måte at anodene allerede etter noen dager viser tegn på ulik forbrukning, således at anodene etter en tid på flere uker utveksles hver for seg. Av dette vil det fremgå at det i en og samme celle vil foreligge anoder med forskjellig driftstid, hvilket også vil fremgå av figuren. Interpolaravstanden d for de forskjellige anoder er således ikke like stor. I henhold til foreliggende oppfinnelse tas det ved regulering av varmeutviklingen i en aluminiumelektrolysecelle hensyn til gjennomsnittsverdien av de forskjellige interpolaravstander d. Denæ gjennomsnittsverdi som betegnes med "D" forandrer seg med tiden.

Den horisontalflate som opptar samtlige anodeundersider kalles vanligvis anodebordet.

Arbeidsprinsippet for en aluminiumelektrolysecelle med selv-brennende anode (Soderberg anode) er det samme som for en aluminiumelektrolysecelle med forinnbrente anoder. I stedet for forinnbrente anoder anvendes anoder som brennes av gronn elektrodemasse i en stålmantel under selve elektrolyseforlopet og under innflytelse av den kontinuerlig utviklede cellevarme. Likestrommen tilfores fra siden gjennom stålbolter eller

ovenfra gjennom vertikale spisse stålstenger. Disse anoder kan fornyes etter behov ved ytterligere tilforsel av gronn elektrodemasse i stålmantelen.

Ved brytning av den ovre elektrolyttskorpe 22 på badoverflaten bringes det foreliggende aluminiumoksyd 23 ovenpå skorpen ned i elektrolytten 10. Denne arbeidsoperasjon utgjor den såkalte cellebetjening, og finner f.eks. sted med 2-6 timers mellomrom.

I lopet av elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten for aluminiumoksyd. Med en nedre konsentrasjon på 1-2% aluminiumoksyd i elektrolytten oppstår det en såkalt anodeeffekt, som gir seg tilkjenne ved en plutselig spenningsforhoyning fra normalt-4 -4,5 volt til 30 volt eller mer. Senest ved dette tidspunkt må skorpen brytes for å forhoye iU^O-^-konsentrasjonen ved tilforsel av nytt aluminiumoksyd.

Det elektrolytisk frembragte aluminium 14, som samler seg på karbonbunnen 15 i cellen, oppsuges vanligvis en gang hver dag gjennom konvensjonelle sugeinnretninger.

Den elektriske ^klemme-spenning for hver celle fastlegges under hensyntagen til cellens alder, tilstanden for karbonbekledningen 11, kantdannelsen 24, sammensetningen i smelteelektrolytten 10 samt cellens stromstyrke og stroirvtetthet. På grunnlag av denne klemmespenning kan cellens indre motstand beregnes på folgende måte:

R er den Ohmske indre motstand i , U er klemmespenningen

i volt, 1.65 er cellens EMK i volt og I er cellestrommens styrke i amper. Den riktige \erdi av klemmespenningen tilsvarer en optimal interpolaravstand d. I praTsis er imidlertid den foreliggende interpolaravstand tildels storre og til-dels mindre enn denne optimale verdi. Disse avvik forårsakes hovedsaklig av nivåstigning for det flytende aluminium 14 på karbonbunnen £5, av avbrenning av anodene 18 på deres underside 26 samt ved endring av badets dimensjoner som folge av tykkelsesforandring for sidekantene 24. Den således definerte interpolaravstand er middelverdien for interpolardistansene for de forskjellige anoder i cellen.

Denne middelverdi bestemmer den utviklede varme i cellen.

En optimal, midlere interpolaravstand til-svarer således en optimal verdi av varmeutviklingen. Hvis cellen tilfores for lite energi, vil elektrolyttens temperatur begynne å avta. Som folge av dette kan det oppstå for tykke sidekanter med tilsvarende innskrenkning av badets omfang, dannelse av forstyrrende bunnslam ved utskillelse av faste komponenter fra elektrolytten. Hvis cellen derimot tilfores for meget varme, vil elektrolytt-temperaturen oke, sidekantene smelte og badomfanget bli storre, hvorved stromutbyttet og det spesifikke elektriske energiforbruk vil bli dårligere.

Oppfinnelsens formål er å regulere varmeutviklingen i en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd i en fluoridsmelte, hvilket vil si at varmeutviklingen holdes på en optimal onsket referanseverdi.

På denne bakgrunn har oppfinnelsens fremgangsmåte som særtrekk at elektrisk energi tilfores elektrolysecellen med visse tidsmellomrom, idet her således tilfort energimengde sammenlignes med-en onsket referanseverdi for den elektriske energitilførsel, og de opptredende differanser mellom referanseverdi og tilfort energimengde summeres hvorved, når den fremkommende sum overskrider en forut bestemt verdi, cellens midlere interpolaravstand okes eller minskes på en slik måte at det oppnås tilforte energimengder nærmest lik referanseverdien. Referanseverdien fastlegges for hver celle for seg, idet den

må tilpasses cellens tilstand og alder. For utforelse av oppfinnelsens fremgangsmåte er det mest hensiktsmessig å anvende en regnemaskin.

Ved en 100 KA-celle er f.eks. klemmespenningen 4,2 volt, hvilket tilsvarer en^g^djre cellemotstand på 25,5 y£L

Med en energitilforse^reperiode på 50 sekunder vil referanseverdien for dette tidsrom belope seg til 5.85 KWh. Når summen av de frembragte differanser f.eks. overskrider 100 KWh, forandres interpolaravstanden med en viss verdi som tilsvarer / en motstandsforandring på 1 eller en forandring av cellespenningen på 0.1 volt. Dette er ensbetydende med en forandring av den midlere interpolaravstand på 3 mm, når det / -dreier seg om celler med en anodisk stromtetthet på omkring / 0.8 A/cm<2>. Den normale interpolaravstand for en 100 KA—celxs

ligger i området 5 - 5.5 cm.

Fordelen ved oppfinnelsens fremgangsmåte ligger i at cellens indre motstand holdes innenfor snevre grenser, hvorved det hindres overhetning eller underkjoling av elektrolytten. Resultatet av dette er et forbedret stromutbytte og en senkning av det elektriske energiforbruk.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for regulering av varmeutviklingen i en aluminiumelektrolysecelle, karakterisert ved at elektrisk energi tilfores elektrolysecellen med visse tidsmellomrom, idet hver således tilfort energimengde sammenlignes med en onsket referanseverdi for den elektriske energitilførsel og de opptredende differanser mellom referanseverdi og tilfort energimengde summeres, hvorved, når den fremkomne sum overskrider en forut bestemt verdi, cellens midlere interpolaravstand okes eller minskes på en slik måte at det oppnås tilforte energimengder tilnærmet lik referanseverdien.