NO167872B - Elektrolyseovn med kontinuerlig anode for fremstilling avaluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører ovner for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium bestående av en katode og en over katoden anordnet kontinuerlig anode som er sammensatt av karbonblokker som er limt eller på annen måte festet til hverandre og som etter hvert som den forbrukes påskjøtes nye karbonblokker.

Ved fremstilling av aluminium benyttes det idag elektrolyse-celler eller ovner som bygger på to forskjellige konstruk-sjonsprinsipper, nemlig ovner som er utstyrt med selvbrennende anoder (såkalte Søderberg-anoder) og ovner som er utstyrt med ferdigbrente kullblokker som må utskiftes etter som de forbrukes.

De aluminiumsovner som er utstyrt med ferdigbrente anoder, har den fordel fremfor ovner med selvbrennende anoder at de har mindre spenningsfall. Dette skyldes hovedsakelig at den spesifike elektriske motstand i ferdigbrente kullblokker er mindre enn i anoder av forkokset Søderberg-masse. Hertil kommer at spenningsfallet mellom de strømførende elementer og kullmassen i alminnelighet ligger noe lavere ved ferdigbrente anoder enn ved Søderberg-anoder, da strømlederne for ferdigbrente anoder er ført inn i disse utenfor ovnen og derfor kan skrues, støpes eller klebes fast til kullmassen, mens strømlederne ved Søderberg-anoden føres inn i ovnen ovenfra under ovnsdriften på en slik måte at de, når de har nådd sin dypeste stilling, kan løsnes og trekkes ut.

På den annen side oppviser også de ferdigbrente diskontinuerlige anodene flere ulemper. Som følge av at de må utskiftes før de er helt oppbrukt oppstår det et anoderest tap på mellom 15-25 % av det totale anodeforbruk. Videre medfører utskiftings- og vedlikeholdsarbeidet i forbindelse med anvendelse av slike diskontinuerlige anoder vesentlige omkost-ninger.

På bakgrunn av de ulemper de tradisjonelle ovnene for fremstilling av aluminium har vært beheftet med, har det blant aluminiumprodusentene lenge vært drevet et utstrakt forsk-nings- og utviklingsarbeide med sikte på å fremskaffe ovner med kontinuerlige, forbrente anoder av den art som er nevnt innledningsvis. Således er det bl.a. i NO patent nr. 98126 vist en ovn for fremstilling av aluminium hvor det benyttes en kontinuerlig forbrent anode som er sammensatt av blokker av anodekull som er limt til hverandre. Bortsett fra at det som anode benyttes sammenlimte anodekull, bygger løsningen i henhold til dette patentskrift på Søderberg-prinsippet, idet anoden er anordnet vertikalt forskyvbar i en mantel og strøm-men overføres via kontaktbolter som strekker seg ned igjennom hull i anoden fra dens overside. Ved påskjøting av nye anodekull må boltene trekkes ut, hvilket representerer en uprak-tisk løsning som krever utstrakt menneskelig innsats og som av den grunn medfører store driftskostnader. Løsningen har derfor ikke fått noen praktisk anvendelse.

I NO patent nr. 73535 er det videre vist en ovn for fremstilling av aluminium hvor det benyttes to elektroder som er anordnet etter hverandre i føringsmantler. Elektrodene består av blokker av karbon som kan påskjøtes ovenfra etterhvert som de forbrukes, og fremmatingen av elektrodene skjer ved hjelp av en jekk anordnet på oversiden av føringsmantlene. Videre, for tilførsel av strøm til elektrodene og for frem-skaffelse av tilstrekkelig friksjonskraft for å holde elektrodene, er det ved den nedre ende av føringsmantlene anordnet trykkorganer i form av vinkelvektstenger som hver virker på en ut skiftbar glidekontakt og står under virkning av en f jaer hvis spenning kan innstilles individuelt ved hjelp av en stålskrue.

Det er en vesentlig ulempe med løsningen i henhold til sist-nevnte NO patentskrift at trykkorganene som består av en komplisert konstruksjonsmessig løsning med bevegelige deler så som skruer, er plassert like over ovnens smeltebad og vil bli raskt beskadiget av varme og skadelige gasser fra dette. Det er videre en ulempe at strømskinnene er innebygget i ovnshvelvet like over badet og at trykkorganene har stor byggevidde (dimensjoner), idet dette reduserer det effektive anodearealet, samt muligheten til å få tilgang til badsmelten f.eks. i forbindelse med tapping av metall og bryting av eventuell skorpe.

Siden det benyttes bare to elektroder med store karbonblokker som er tunge å håndtere, blir vedlikeholdet av ovnen vanskelig. De store karbonblokkene med den relativt store avstanden mellom strømkontaktene medfører dessuten at strøm-tilførselen og strømfordelingen i elektrodene blir dårlig.

På bakgrunn av ovennevnte ulemper har heller ikke ovnen ifølge NO patentskrift nr. 73535 funnet noen praktisk anvendelse.

Det har vært et formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en ovn for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium basert på kontinuerlig anodeprinsipp som ikke er beheftet med ovennevnte ulemper, dvs. som er konstruksjonsmessig enkelt utformet og derav rimelig

å bygge, og som samtidig

er driftssikker og enkel å vedlikeholde.

I henhold til oppfinnelsen er dette oppnådd ved hjelp av en ovn som angitt innledningsvis og som er karakterisert ved de trekk som fremgår av det vedheftede krav 1, nemlig at anoden er oppdelt i seksjoner i form av lett uttagbare kassetter eller holdere som er anordnet tett inntil hverandre i en rekke i ovnens lengderetning, hvilke kassetter hver ved sin øvre ende er forsynt med fremspring som strekker seg i ovnens tverretning og som ved hjelp av disse fremspring er innrettet for løsbart feste til bærevegger eller bærekonstruksjoner som strekker seg langs ovnens langsider.

De vedheftede uselvstendige kravene 2-9 angir fordelaktige trekk ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempel og under henvisning til tegningene hvor Fig. 1 viser, delvis i oppriss, en ovn i henhold til oppfinnelsen sett fra siden,

Fig. 2 viser samme ovn sett i tverrsnitt,

Fig. 3 viser en forstørret perspektivskisse av anodekasset-tene med klembakker som ovnens anode består av, Fig. 4 viser et horisontalsnitt av anodekassetten i området

for klembakkene vist i Fig. 3,

Fig. 5 viser et horisontalsnitt av en klembakke,

Fig. 6 viser et alternativt arrangement for regulering av

klemkraften for klembakkene, og

Fig. 7 viser et annet slikt alternativ.

Fig. 8 viser tverrsnittet av en ovn med et alternativt

holde- og fremmatingsarrangement.

Fig. 9 viser skjematisk en foretrukken måte på påsette

kull ved arrangementet ifølge Fig. 8.

I Fig. 1 og 2 viser henvisningsbetegnelsene 13 og 14 henholdsvis katoden og anoden for ovnskonstruksjonen. Katoden 13 utgjøres av en i og for seg kjent, tradisjonell konstruk-sjon som omfatter en katodekasse av stål 9, innvendig isoler-ende stein 15, katodekull 16 med innlagte katodeskinner 17, samt katode samleskinner (ikke vist).

Anoden består av seksjoner i form av lett uttagbare kassetter eller holdere 8 som er innrettet for kontinuerlig fremføring av segmenter eller blokker av kull 21. Mellom kassettene 8 for fremføring av kull, er det anordnet ytterligere kassetter 22 som rommer utstyr for tilførsel av tilsatsmaterialer, f.eks. aluminiumoksyd til smeltebadet. Kassettene 8,22 er forsynt med fremspring 18 og hviler med disse fremspring på løftebjelker 20. Kassettene 8, 22 står så tett inntil hverandre at de danner en tett lukkning for ovnen oppad. Dette at anoden er utformet som her beskrevet, representerer en vesentlig fordel med oppfinnelsen idet hver enkelt kassett om nødvendig kan tas ut og erstattes med en ny.

Som nevnt hviler kassettene på løftebjelker 20. Disse løfte-bjelker er hver ved endene forsynt med jekker 19, hydrauliske eller mekaniske, som gjør det mulig å senke/løfte eller vippe f anoden (dvs. kassettene), f.eks. i forbindelse ned blussluk-king. Jekkene 19 er anordnet på bæresøyler 1 som er forankret i ovnsfundamentet eller hviler på ovnskassen, og hele anode-arrangementet bæres således en disse bæresøylene.

Langs kortendene og langsidene av ovnen er det anordnet ut-/ oppsvingbare eller lett avtagbare lemmer 12. Disse lemmene 12 tjener i lukket stilling som tildekning for ovnen, og gir i åpen stilling lett adgang til ovnsrommet.

Siden kassettene som nevnt i det foranstående danner lett lukning for ovnen oppad og ovnens sider er tildekket av lemmer 12, er ovnsrommet helt innebygget. Dette innebærer at gasser som oppstår under elektrolysen lett vil kunne avsuges fra ovnsrommet via kassettene gjennom en avsugkanal 3.

I en foretrukken utførelse, jfr. senere avsnitt, er kassettene forsynt med kjølekanaler for å nedsette temperaturen i kassettveggene og klembakkene 27 som holder kullene 21. Like under kassettene, ved disses ender er det derfor anordnet gasskanaler for et kjølemedium som munner ut i gasstilfør-selsrør, respektive gass avsugsrør (ikke vist).

Når det gjelder kassettene 8, er disse helt eller delvis laget av elektrisk ledende materiale og er elektrisk forbundet med anodeskinner via en tilkobling 2 og fleksibler 4. Kassettenes konstruksjonsmessige utforming er forøvrig nærmere vist i Fig. 3-5. Som det fremgår av Fig. 3 består kassetten av en øvre holdedel 23 som er forsynt med to føringer 24 for anodekull i form av segmenter eller blokker 21. Kullblokkene 21 er festet til hverandre ved hjelp av liming eller lignende, og kan, etterhvert som de forbrukes nedentil, påskjøtes ovenfra ved påliming av en ny kullblokk.

For å redusere varmetapet gjennom kassettene, kan det på oversiden av kullene 21, for hver av føringene 24, være anordnet isolasjonsblokker 25. Slike isolasjonsblokker er det mest aktuelt å bruke når kassettene er forsynt med kjøle-utstyr. Det skal i denne forbindelse presiseres at ovnen i henhold til oppfinnelsen både kan benyttes med og uten kjøle-utstyr.

Fremmatingen av kullene i føringene 24 skjer individuelt ved hjelp av lett avtagbare jekker (antydet ved henvisningsbetegnelsen 26) som styres av en ikke vist styringsenhet. Jekkene kan være av hydraulisk eller mekanisk type, men skal ellers ikke omtales nærmere her.

Den nedre del av føringene 24 omfatter et holdearrangement i form av klembakker 27 som fastholdes til den øvre del av føringene ved hjelp av bærestag/strømføringer 28, jfr. også Fig. 4 som viser et horisontalsnitt av en kassettføring 24 i området for nevnte klembakker 27. Holdearrangementets oppgave er, ved hjelp av tilstrekkelig friksjonskraft, å bære "stabelen" av karbonblokker, samtidig som det tjener til å over-føre den nødvendige elektriske strøm til anodeblokkene. Med holdearrangementet som skal omtales nærmere i det etterfølg-ende, er man kommet frem til en løsning som gir kort strømvei mellom de elektriske kontaktene i klembakkene og elektrolyse-badet, som tåler det sterkt korrosive miljøet nær elektro-lysebadet og som har liten byggevidde. Dette siste er nødven-dig på grunn av den relativt snevre avstanden mellom kassettene.

Klembakkene er forbundet med hverandre i kullenes omkrets-retning ved hjelp av tverrstag 5, og klemmes mot henholdsvis hjørner og svalehalespor 29 ved at tverrstagenes effektive lengde kortes inn. At det i det her viste eksempel benyttes svalehalespor 29, beror på at det anvendes kull med rektangulært tverrsnitt som har relativt lange sider og som av den grunn gjor det nødvendig å benytte ekstra strømkontakter ved de lange sidene for å oppnå jevnest og best mulig strømfor-deling i kullene. Mer fordelaktig med hensyn på kort strøm bane kunne det være å benytte kull med kvadratiske tverrsnitt hvor man bare benytter klembakker ved hjørnene. Når det gjelder tverrstagene er disse laget slik at de har en mulig-het til å bli bøyd. Ved at strammestag 30 heises opp (eller skyves ned) kortes avstanden mellom klembakkene inn slik at flatetrykket økes. Ved normal drift er det tilstrekkelig at bærestagene holdes stramme med en ikke vist forspent fjær. Forspenningen kan reguleres slik at mindre uregelmessigheter i anodens dimensjoner kan tåles uten at holdekraften forand-res utenfor et godkjent toleranseområde.

Holdekraften og flatetrykket velges ut fra driftstekniske kriterier.

Klembakkenes oppbygging er nærmere vist i Fig. 5. Den består av en styrkebærende del 32, en strømledende del 33, et slite-belegg 34 og utvendig isolasjon 35.

Dersom klembakkene og de konstruksjonselementer som forbinder dem innbyrdes blir kjølt ned, kan billigere materialer benyttes og bedre resultater oppnås i form av høyere flatetrykk og lavere overgangsmotstand. I Fig. 5 er det inntegnet kjøle-kanaler 36 for sirkulasjon av kjølemedie i klembakkene. Kjølekanalene strekker seg også gjennom bærestagene 28 for nedkjøling av disse. Det skal her legges til at energien som trekkes ut av kjølemediet eventuelt kan utnyttes i energi-økonomisk sammenheng, og det vises i denne forbindelse til den ene av oppfinnernes norske patent nr. 158511.

I det foranstående eksempel reguleres klemkraften mellom klembakkene 27 og kullene ved å heise opp eller skyve ned strammestagene 30. Fig. 6 viser et annet eksempel hvor klemkraften reguleres ved å forskyve bærestagene 28 i forhold til hverandre, opp eller ned. Videre viser Fig. 7 et ytterligere eksempel hvor klembakkene presses mot kullene ved en form for kilevirkning idet det utenfor bærestagene 28 er anordnet en reguleringsramme 34 som kan heves og senkes og som ved sine nedre hjørner er forsynt med skrå føringer 35 som hviler mot komplementære føringer på klembakkene 27.

Fig. 8 viser tverrsnittet av en ovn som er forsynt med en anodekassett 8 med et alternativt holde- og fremmatingsarrangement i henhold til oppfinnelsen. Også i det her viste eksempel har kassetten to føringer 24 for anodekull 21. Isteden for klembakker og jekker anordnet ved innløpet til føringen som presser kullene nedover slik som omtalt i det foranstående, benyttes det imidlertid et annet holde- og fremmatingsarrangement. Således er hvert av kullene 21 forsynt med to gjennomgående boringer 41, og gjennom boringene ovenfra strekker seg spindler 40 som ved sine nedre ender er forsynt med koniske gjengetapper 38. Spindlene er ved sine øvre ender opplagret i trustlagre 37 og er innrettet for dreining ved hjelp av et ikke vist drivarrangement. Kullene holdes oppe ved hjelp av spindelen via gjengetappene, og kan heves eller senkes ved å dreie spindlene. Når det gjelder overførselen av strøm til kullene, kan denne skje helt eller delvis gjennom spindlene/gjengetappene, respektive gjennom føringenes 24 føringsmantler 42.

I Fig. 9 vises skjematisk en foretrukken måte å påsette nye kull ovenfra etter hvert som anoden forbrukes. Som det fremgår består hver av kullblokkene 21 av to halvdeler 43 som hver er forsynt med to parallelle, semisirkulære spor 44. Halvdelene 43 plasseres oppå og limes fast til stabelen av kull 21 (kassettføringene er ikke inntegnet) , og de semisirkulære sporene 44 danner etter påsettingen/1imingen "boringene" 41 for spindelene 40. Henvisningsbetegnelsen 45 indikerer limfugene mellom kullblokkene 21. Eventuelt kan det også påføres lim (ved 46) mellom de to halvdelene 42.

Hvorvidt dette er nødvendig anses imidlertid å være et fag-messig spørsmål.

Føringene 24 i kassetten hindrer halvdelene fra å kunne splittes etter at de er innsatt, og siden limet på dette tidspunkt (like etter at halvdelene er innsatt) ennå ikke er herdet, må det være en slik klaring mellom føringen 24 og kullblokkene 21 at kullene kan gli i føringen av egen tyngde. Ved føringenes nedre ende 42, like ovenfor gjengetappene 38, kan klaringen være mindre. Eventuelt kan det her være så snever klaring (toleranse) at all strøm eller noe av strømmen overføres fra kassetten til kullene i dette området.

Når det gjelder påsettingen av kullene, skal bemerkes at oppfinnelsen ikke er begrenset til ovenstående eksempel hvor det benyttes kullblokker som er splittet opp i to halvdeler. Således kan kullene bestå av hele blokker som er forsynt med gjennomgående boringer hvorved kullene tres inn på spindelene ovenfra. Det skal for øvrig bemerkes at kullene ikke nødven-digvis må være forsynt med to hull og to korresponderende spindler, men kan være forsynt med ett eller flere enn to hull og korresponderende antall spindler, eller de kan være forsynt med spor ved sidene og/eller ved hjørnene idet det benyttes spindler/gjengetapper som korresponderer med sporene og ligger mellom føringsveggen og kullene.

I Figurene og i det foranstående er det vist og beskrevet eksempel hvor det benyttes kvadratiske/rektangulære kullblokker. Imidlertid skal bemerkes at kullblokkene innenfor oppfinnelsens ramme slik den er definert i kravene også kan være utformet sirkulære eller ha mangekantede tverrsnitt. Videre kan kassettene 8, istedet for to føringer, være forsynt med én, eller flere enn to føringer 24, og kullene kan være av forbrent type, eller såkalte grønne kull.

Claims (12)

1. Ovn for smelteelektrolytisk fremstilling av aluminium bestående av en katode (13) og en over katoden anordnet kontinuerlig anode (14) som er sammensatt av karbonblokker som er limt på eller på annen måte festet til hverandre og som etter hvert som den forbrukes påskjøtes nye karbonblokker, karakterisert ved at anoden er oppdelt i seksjoner i form av lett uttagbare kassetter (8) eller holdere som er anordnet tett inntil hverandre i en rekke i ovnens lengderetning, hvilke kassetter (8) hver ved sin øvre ende er forsynt med fremspring (23) som strekker seg i ovnens tverretning og som ved hjelp av disse frem spring er innrettet for løsbart feste til bærevegger eller løftebjelker (20) som strekker seg langs ovnens langsider.

2. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at fremspringene (23) er innrettet for hvile mot en ved hver av ovnens sider anordnede løftebjelker (20) idet de strekker seg innover bjelkenes overside.

3. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at løftebjelkene ved hver av sine ender er forsynt med løftejekker (19) for løfting/senking eller vipping av anoden.

4. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at kassettene hver er forsynt med en gjennomgående føring (24') for styrt fremføring av en stabel karbonblokker (21) .

5. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at kassettene (8) hver er forsynt med to ved siden av hverandre beliggende føringer (24) for styrt fremfø-ring av to stabler av karbonblokker (21).

6. Ovn ifølge de foregående krav, karakterisert ved at føringene (24) ved sine øvre partier har form av en kappe eller mantel med kvadratisk, rektangulær eller sirkulær åpning, mens den nedre del av føringene er forsynt med et holdearrangement (27-35) med elektriske kontakter som sikrer tilstrekkelig friksjonskraft til å bære stabelen av anodeblokker (21), samtidig som den tjener til å overføre den nødvendi-ge elektriske strøm til anodeblokkene.

7. Ovn ifølge krav 6, karakterisert ved at holdearrangementet utgjøres av klembakker (27) som virker mot hver av karbonblokkenes hjørner og er forbundet med hverandre ved hj elp av tverrstag ( 5) og som holdes oppe ved hjelp av bærestag (28).

8. Ovn ifølge krav 2, karakterisert ved at klemkraften for klembakkene kan reguleres ved bøying av tverrstagene (5), eller ved forskyvning av bærestagene (28) i forhold til hverandre, opp eller ned.

9. Ovn ifølge krav 8, karakterisert ved at bøyningen skjer ved hjelp av strammestag (30) som ved sin ende er forbundet med tverrstagenes midte og sin indre ende er forbundet med et stramme-/fjær-arrangement (31) ved kassettenes (8) øvre ende.

10. Ovn ifølge krav 6, karaterisert ved at holdearrangementet utgjøres av klembakker (27) som holdes oppe ved hjelp av bærestag (28) og at klemkraften mellom klembakkene og karbonblokkene kan justeres ved en form for kilevirkning idet det utenfor bærestagene er anordnet en reguleringsramme (34) som kan heves og senkes og som ved sine nedre hjørner er forsynt med skrå føringer (35) som hviler mot komplementære føringer på klembakkene (27).

11. Ovn ifølge krav 1-5, karakterisert ved at føringen (24) har form av en kappe eller mantel med kvadratisk, rektangulært, mangekantet eller sirkulært tverrsnitt, at karbonblokkene (21) er forsynt med en eller flere boringer (41), at det i boringen eller hver av boringene er anordnet en spindel (40) som ved sin nedre ende er forsynt med en konisk gjengetapp (38) og ved sin øvre ende er forsynt med en opplagring (37) og innretning for dreining av spindelen, hvorved karbonblokkene holdes oppe ved hjelp av spindelen og kan heves og senkes ved dreining av denne.

12. Ovn ifølge krav 11, karakterisert ved at karbonblokkene (21) består av to halvdeler (42) som hver er forsynt med semisirkulære spor slik at boringene (41) dannes ved sammenstilling av karbon-blokkhalvdelene (42) ved påmontering av nye karbonblokker.