NO162473B

NO162473B - ELECTROLYCLE CELL FOR REDUCTION OF ALUMINUM OXIDE.

Info

Publication number: NO162473B
Application number: NO832074A
Authority: NO
Inventors: James Brown Hess; Erwin Otto Strahl
Original assignee: Kaiser Aluminium Chem Corp
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1989-09-25
Also published as: NO162473C; NO832074L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører elektrolyseceller til fremstilling av aluminium. The present invention relates to electrolytic cells for the production of aluminium.

Fremstillingen av aluminium ved hjelp av elektrolyttisk reduksjon av aluminiumoksid oppløst i en smeltet saltelektro-lytt, f.eks. kryolitt, er en gammel og velkjent prosess som vanligvis betegnes med "Hall-Heroult-prosessen". Det aluminiumoksid som er oppløst i den smeltede eller flytende elektrolytt, blir brutt/ned til sine enkelte komponenter, idet oksygen frigjøres ved anoden og metallisk aluminium avsetter seg i en sats eller ansamling av smeltet metall som danner seg ved bunnen av elektrolysecellen. Denne ansamling av smeltet metall utgjør i virkeligheten cellens katode. Der finnes to typer elektrolyseceller til fremstilling av aluminium, nemlig celler med henholdsvis forhåndsbrente anoder og Søderberg-anoder. I begge tilfeller innbefatter reduksjonsprosessen nøyaktig den samme kjemiske reaksjon. Hovedforskjellen mellom de to celler er av konstruksjonsmessig art. I de førstnevnte celler blir karbonanoder forhåndsbrent før de installeres i cellen, mens Søderberg-anoder, som av og til betegnes som kontinuerlige anoder, blir brent på stedet, dvs. under driften av cellen, idet man utnytter en del av den varme som frembringes ved reduksjonsprosessen. Den smeltede elektrolytt eller det bad som benyttes i forbindelse med "Hall-Heroult"-prosessen, består hovedsakelig av kryolitt, som er et dobbeltsalt av natrium-fluorid og aluminiumfluorid med formelen Na3AlFg eller uttrykt på en annen måte 3NaF•AIF3. Kryolitt har et smeltepunkt på ca. The production of aluminum by electrolytic reduction of aluminum oxide dissolved in a molten salt electrolyte, e.g. cryolite, is an old and well-known process commonly referred to as the "Hall-Heroult process". The aluminum oxide that is dissolved in the molten or liquid electrolyte is broken/down into its individual components, as oxygen is released at the anode and metallic aluminum is deposited in a batch or accumulation of molten metal that forms at the bottom of the electrolysis cell. This accumulation of molten metal actually constitutes the cathode of the cell. There are two types of electrolysis cells for the production of aluminium, namely cells with pre-fired anodes and Søderberg anodes. In both cases, the reduction process involves exactly the same chemical reaction. The main difference between the two cells is of a constructional nature. In the former cells, carbon anodes are pre-burned before they are installed in the cell, while Søderberg anodes, which are sometimes referred to as continuous anodes, are burned in place, i.e. during the operation of the cell, utilizing part of the heat generated by the reduction process. The molten electrolyte or bath used in connection with the "Hall-Heroult" process consists mainly of cryolite, which is a double salt of sodium fluoride and aluminum fluoride with the formula Na3AlFg or expressed in another way 3NaF•AIF3. Cryolite has a melting point of approx.

1 000°C. Andre bestanddeler, bl.a. aluminiumfluorid på opptil 10% mer enn den støkiometriske mengde av aluminiumfluorid i kryolitt, 5-15% kalsiumfluorid og noen ganger adskillige prosent LiF, MgF2 og/eller NaCl, kan tilsettes elektrolytten for reduksjon av dennes smeltetemperatur og modifisering eller styring av slike andre egenskaper som elektrisk ledningsevne, viskositet og overflatespenning. Konsentrasjonen av aluminiumoksid holdes normalt på mellom 2 og 10 vektprosent. Etter hvert som der fremstilles aluminiummetall, vil konsentrasjonen av aluminiumoksid avta. Nytt aluminiumoksid må derfor periodevis 1000°C. Other components, i.a. aluminum fluoride up to 10% more than the stoichiometric amount of aluminum fluoride in cryolite, 5-15% calcium fluoride and sometimes several percent LiF, MgF2 and/or NaCl, may be added to the electrolyte to reduce its melting temperature and modify or control such other properties as electrical conductivity, viscosity and surface tension. The concentration of aluminum oxide is normally kept at between 2 and 10 percent by weight. As aluminum metal is produced there, the concentration of aluminum oxide will decrease. New aluminum oxide must therefore be added periodically

tilsettes. is added.

En vanlig aluminiumreduksjonscelle består stort sett av en stålmantel, en f6ring i form av et strømførende karbonholdig lag som er anordnet i mantelen, og en eller flere karbonanoder som er anordnet i et hulrom som er avgrenset av den karbonholdige fSring. Karbonfåringen, som utgjør en katode, kan være en monolittisk foring som stampes på plass og brennes ved driften av cellen, eller den kan være sammensatt av karbonholdige blokker som er blitt brent før monteringen i cellen. I katodeforingen er der innleiret en rekke stålsamleskinner. Normalt er der mellom stålmantelen og den karbonholdige foring anordnet et lag av isolasjonsmateriale, f.eks. granulært aluminiumoksid eller ildfast sten for å holde på den utviklede varme under den elektrolyttiske prosess. I mange tilfeller er isolasjonslaget bare anordnet på bunnpartiet av stålmantelen. A normal aluminum reduction cell mostly consists of a steel jacket, a ring in the form of a current-carrying carbonaceous layer which is arranged in the jacket, and one or more carbon anodes which are arranged in a cavity which is delimited by the carbonaceous ring. The carbon liner, which constitutes a cathode, may be a monolithic liner that is stamped into place and burned during operation of the cell, or it may be composed of carbonaceous blocks that have been burned prior to assembly in the cell. A number of steel busbars are embedded in the cathode liner. Normally, a layer of insulating material is arranged between the steel jacket and the carbon-containing lining, e.g. granular aluminum oxide or refractory stone to retain the heat developed during the electrolytic process. In many cases, the insulation layer is only arranged on the bottom part of the steel jacket.

Ved bruk av elektrolysecellen blir karbon-foringene utsatt for kraftige kjemiske påkjenninger og temperaturpåkjenninger som er skadelige for karbon-foringen, og cellene har følgelig en meget uviss levetid som kan variere fra noen få til flere tusen dager. Praktisk talt alle tidligere cellesvikt bortsett fra slike som stammer direkte fra utilsiktet mangelfullt fagarbeid eller fra andre uheldige epsioder under bygging av cellen, menes å skyldes at elektrolytten trenger inn i og størkner i porene og kapillarkanalene i den karbonholdige foring, hvor den så reagerer med natriummetall og gir reaksjonsprodukter med vesentlig større volum enn de opprinnelige reaksjons-bestanddeier. Når denne natriumreaksjon finner sted med elektrolytt som fremdeles er i væskeform i karbonporene, kan denne økning i volum av reaksjonsproduktene uten skade tas opp ved en forskyvning oppover av et parti av den overliggende væske inne i karbonets kapillarer. Men når reaksjonen finner sted med elektrolytt som allerede er størknet og er innesluttet i fast form i karbonporene, vil det økte volum av reaksjonsproduktene bevirke en lokal ekspansjonspåkjenning som danner sprekker i og pulveriserer karbonet i umiddelbar nærhet av reaksjonsstedene. Natriumdamp for disse reaksjoner er til-gjengelig ved alle indre flater (dvs. porevegger) såvel som ved de ytre overflater av karbonforingen på grunn av den velkjente natrium-innleiringsreaksjon med ufullstendig grafittisert karbon, som beskrevet f.eks. av E.W. Deming, Trans. AIME, vol. 227, desember 1963, pp 1328-1334. Hovedutvidelsen menes å skyldes en av eller begge de følgende reaksjoner og When using the electrolysis cell, the carbon liners are exposed to strong chemical stresses and temperature stresses that are harmful to the carbon liner, and the cells consequently have a very uncertain lifespan that can vary from a few to several thousand days. Virtually all previous cell failures, except those resulting directly from inadvertent poor workmanship or from other unfortunate episodes during construction of the cell, are believed to be caused by the electrolyte penetrating and solidifying in the pores and capillary channels of the carbonaceous liner, where it then reacts with sodium metal and gives reaction products with a significantly larger volume than the original reaction constituents. When this sodium reaction takes place with electrolyte that is still in liquid form in the carbon pores, this increase in volume of the reaction products can be taken up without damage by an upward displacement of a portion of the overlying liquid inside the carbon's capillaries. But when the reaction takes place with electrolyte that has already solidified and is enclosed in solid form in the carbon pores, the increased volume of the reaction products will cause a local expansion stress that creates cracks in and pulverizes the carbon in the immediate vicinity of the reaction sites. Sodium vapor for these reactions is available at all internal surfaces (ie pore walls) as well as at the external surfaces of the carbon liner due to the well-known sodium embedding reaction with incompletely graphitized carbon, as described e.g. by E.W. Deming, Trans. AIME, vol. 227, December 1963, pp 1328-1334. The main expansion is believed to be due to one or both of the following reactions and

selv om også andre natriumreduksjonsreaksjoner kan være involvert, f.eks. med CaF2- Det er derfor som et generelt prinsipp ønskelig at elektrolytten ikke bør størkne eller stivne i karbonet. although other sodium reduction reactions may also be involved, e.g. with CaF2- It is therefore desirable as a general principle that the electrolyte should not solidify or solidify in the carbon.

For energivirkningsgradens skyld blir Hall-Heroultceller vanligvis konstruert med tilstrekkelig bunnisolasjon til at isotermen for størkning av elektrolytten ligger hovedsakelig i isolasjonen under karbonet, i det minste til å begynne med. Under driften av cellen blir imidlertid isolasjonen utsatt for natriumdamp, fluoriddunster og infiltrasjon fra selve den smeltede elektrolytt. Alle disse forhold er tilbøyelige til å ødelegge isolasjonen og redusere dens isolasjonsverdi, slik at størkningsisotermen til slutt trekker seg tilbake inn i karbonet. For energy efficiency, Hall-Heroult cells are usually constructed with sufficient bottom insulation so that the isotherm for solidification of the electrolyte lies mainly in the insulation below the carbon, at least initially. During the operation of the cell, however, the insulation is exposed to sodium vapor, fluoride vapor and infiltration from the molten electrolyte itself. All these conditions tend to destroy the insulation and reduce its insulating value, so that the solidification isotherm eventually retreats into the carbon.

Det ser således ut som om det trengs en barriere av en eller annen art anordnet inne i den elektrolyttiske celle for skjerming av isolasjonen og beskyttelse av denne mot ødeleggelse som følge av inntrengning av smeltet elektrolytt og inntrengning av natriumdamp og fluoriddunster fra karbon-foringen og unngåelse av størkning av elektrolytten eller badet i karbonet. Ifølge teknikkens stand er der beskrevet og anbefalt mange barrierer til forlengelse av karbonforingers levetid. F.eks. er der i fSringer for elektrolyseceller for aluminium i mange år blitt foreslått og anvendt overlappende stålplater anordnet mellom isolasjonen og karbonforingen. Videre er det også blitt foreslått å anvende GRAFOIL, et materiale fra High Temperature Materials, Inc., som et dekklag over de overlappende stålplater. Imidlertid er det sistnevnte materiale sprøtt og dyrt, og hverken stålplatene eller GRAFOIL er effektivt med hensyn til å stanse inntrengningen av natrium-og fluoriddamper. Thus, it appears that a barrier of some kind is required inside the electrolytic cell to shield the insulation and protect it from destruction due to the ingress of molten electrolyte and the ingress of sodium vapor and fluoride vapor from the carbon liner and to avoid of solidification of the electrolyte or the bath in the carbon. According to the state of the art, many barriers to extending the lifetime of carbon liners are described and recommended. E.g. For many years, overlapping steel plates arranged between the insulation and the carbon liner have been proposed and used in applications for aluminum electrolysis cells. Furthermore, it has also been proposed to use GRAFOIL, a material from High Temperature Materials, Inc., as a cover layer over the overlapping steel plates. However, the latter material is brittle and expensive, and neither the steel plates nor GRAFOIL are effective in stopping the ingress of sodium and fluoride vapors.

Problemet med isolasjonsforringelse som skyldes inntrengning av smeltet elektrolytt, natriumdamp og fluoriddunster i cellens karbonforing, er blitt erkjent i tidligere patentskrifter som angår elektrolyseceller til fremstilling av aluminium. I US patentskrift 3 457 149,, som angår en fremgangsmåte til å danne katodeforinger, er der foreslått en fremgangsmåte til å fylle porene og sprekkene i foringene ved vakuum-understøttet impregnering av porene og sprekkene med halogenider med lavt smeltepunkt, f.eks. kalsiumklorid eller magnesiumklorid eller natriumklorid som har fått tilsatt aluminiumklorid eller blandinger av fluorider. Prosessen ifølge US patentskrift 3 457 149 har den alvorlige feil at karbonet til slutt blir så varmt at det smelter de lavtsmeltende porefylleblandinger, som deretter rett og slett løser seg opp i badet, slik at den ønskede tetningsvirkning går tapt. The problem of insulation deterioration due to intrusion of molten electrolyte, sodium vapor and fluoride vapor into the cell's carbon lining has been recognized in earlier patents relating to electrolytic cells for the production of aluminium. In US patent 3,457,149, which relates to a method for forming cathode liners, a method is proposed to fill the pores and cracks in the liners by vacuum-supported impregnation of the pores and cracks with halides with a low melting point, e.g. calcium chloride or magnesium chloride or sodium chloride to which aluminum chloride or mixtures of fluorides have been added. The process according to US patent 3,457,149 has the serious flaw that the carbon eventually becomes so hot that it melts the low-melting pore filler mixtures, which then simply dissolve in the bath, so that the desired sealing effect is lost.

I US patentskriftene 3 434 957 og 3 649 480 blir det foreslått å bruke et ildfast lag som er anordnet i cellefSringen, f.eks. et papir belagt med ildfast materiale eller en maling av aluminiumsilikat eller natriumsilikat. Det foreslås både å anordne de tynne skikt mellom isolasjonen og lagene av karbonforing og å bruke materialet som en maling på innsiden av stålmantelen for å hindre uttapping av smeltet aluminium. In US patent documents 3,434,957 and 3,649,480, it is proposed to use a refractory layer which is arranged in the cell flow, e.g. a paper coated with refractory material or an aluminum silicate or sodium silicate paint. It is proposed both to arrange the thin layers between the insulation and the layers of carbon lining and to use the material as a paint on the inside of the steel jacket to prevent the draining of molten aluminium.

I US patentskrift 3 514 420 er det foreslått mellom lag av foringsmateriale i en elektrolyttisk reduksjonsovn for aluminium å danne en barriere av pulverformet eller granulært silisiumkarbid i en usammenhengende tilstand. I henhold til dette patentskrift utgjør silisiumkarbid-laget en uovervinnelig barriere for smeltet aluminium. In US Patent 3,514,420, it is proposed to form between layers of lining material in an electrolytic reduction furnace for aluminum a barrier of powdered or granular silicon carbide in a non-cohesive state. According to this patent, the silicon carbide layer constitutes an insurmountable barrier to molten aluminium.

I US patentskrift 4 033 836 er det foreslått å anbringe et lag av aluminiumfluorid mellom metallmantelen og laget av karbonholdig materiale i foringen av en aluminiumeiektrolyse-reduksjonsovn. Dette antas å forhindre korrosjon av metallmantelen som følge av natriumet. In US Patent 4,033,836 it is proposed to place a layer of aluminum fluoride between the metal jacket and the layer of carbonaceous material in the lining of an aluminum electrolysis reduction furnace. This is believed to prevent corrosion of the metal sheath as a result of the sodium.

r US patentskrift 3 723 286 foreslås det å innlemme et lag av salt, f.eks. klorid- og fluoridsalter av natrium, litium, kalsium og magne"sium, mellom karbonf oringen og isolasjons foringen i en elektrolysecelle for aluminium i den hensikt å forhindre deformasjon av karbonforingen. r US patent 3 723 286 it is proposed to incorporate a layer of salt, e.g. chloride and fluoride salts of sodium, lithium, calcium and magnesium, between the carbon liner and the insulation liner in an electrolysis cell for aluminum with the intention of preventing deformation of the carbon liner.

Ved fremstilling av aluminiummetall ved aluminiumkloridprosessen foreligger der et problem med korrosjonsvirkningen av kloridbadet og dettes evne til å trenge inn i de ildfaste fåringer og angripe stålmantelen, spesielt når cellen drives ved forhøyede temperaturer, f.eks. over smeltepunktet for aluminium. Ved disse temperaturer vil komponentene i elektro-lysebadet raskt sive gjennom cellefåringene, noe som resulterer i et raskt angrep på celleveggene. De elektrolytter som benyttes i aluminiumkloridprosessen, og som vanligvis består av aluminiumklorid og andre klorider, f.eks. natriumklorid, kaliumklorid og litiumklorid, dvs. alkalimetallklorider, er betydelig annerledes enn de kryolittiske elektrolytter som benyttes i Hall-Heroult-prosessen. Følgelig vil det være vesentlig forskjell på de typer korrosjon og forringelse som opptrer i de to systemer. I aluminiumklorid-prosessen holdes cellen lukket på grunn av utviklingen av klorgass som virker sterkt korroderende på ståldelene i cellen. Der eksisterer en rekke patentskrifter som beskriver midler til å beskytte stålmantelen mot ødeleggende korrosjon fra kloridene. I US patentskriftene 3 773 643 og 3 779 699 blir det foreslått mellom stålmantelen i cellen og isolasjonsskiktet å innlemme en glassbarriere av et egnet materiale, f.eks. ildfast sten. Disse patentskrifter omtaler bruk av en rekke gasslag i barrieren. Gassbarrieren vil i praksis helt motstå inntrengning av smeltede klorider som siver sideveis inn i cellens sidevegger. Det er således en hovedhensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe et nytt, forbedret barriereskikt som tjener til å avskjerme isolasjonslaget i fSringen i en Hall-Heroult-celle fra forringelse som skyldes inntrengning av smeltet elektrolytt eller fluorider i gassform eller natriummetalldamper, slik at levetiden for cellens karbonfQringer økes ved at nedbrytning og de'f ormas jon av fSringen reduseres til et minimum. In the production of aluminum metal by the aluminum chloride process, there is a problem with the corrosion effect of the chloride bath and its ability to penetrate the refractory grooves and attack the steel jacket, especially when the cell is operated at elevated temperatures, e.g. above the melting point of aluminium. At these temperatures, the components in the electrolysis bath will quickly seep through the cell linings, resulting in a rapid attack on the cell walls. The electrolytes used in the aluminum chloride process, which usually consist of aluminum chloride and other chlorides, e.g. sodium chloride, potassium chloride and lithium chloride, i.e. alkali metal chlorides, are significantly different from the cryolytic electrolytes used in the Hall-Heroult process. Consequently, there will be a significant difference in the types of corrosion and deterioration that occur in the two systems. In the aluminum chloride process, the cell is kept closed due to the development of chlorine gas, which has a strong corrosive effect on the steel parts in the cell. There exist a number of patent documents which describe means of protecting the steel jacket against destructive corrosion from the chlorides. In US patent documents 3 773 643 and 3 779 699 it is proposed to incorporate a glass barrier of a suitable material between the steel jacket in the cell and the insulation layer, e.g. refractory stone. These patents refer to the use of a number of gas layers in the barrier. In practice, the gas barrier will completely resist penetration of molten chlorides that seep laterally into the cell's side walls. It is thus a main purpose of the present invention to provide a new, improved barrier layer which serves to shield the insulation layer in the ring in a Hall-Heroult cell from deterioration caused by the ingress of molten electrolyte or fluorides in gaseous form or sodium metal vapor, so that the lifetime of the cell's carbon supply is increased by reducing breakdown and deformation of the supply to a minimum.

Cellen ifølge oppfinnelsen er nærmere definert i krav 1. The cell according to the invention is further defined in claim 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen og dennes fordeler vil fremgå tydeligere fra den følgende detaljerte beskrivelse i forbindelse med tegningen, som skjematisk og for oversiktens skyld ikke viser forskjellige tidligere kjente detaljer. Fig. 1 er et oppriss, delvis i snitt, av en elektrolysecelle til smelting av aluminiumoksid ved bruk av forhåndsbrente anoder, idet cellen innbefatter en utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et delriss av en celle i likhet med det som er vist på fig. 1, og viser en annen utførelsesform for oppfinnelsen. Further features of the invention and its advantages will appear more clearly from the following detailed description in connection with the drawing, which schematically and for the sake of overview does not show various previously known details. Fig. 1 is an elevation, partly in section, of an electrolysis cell for melting aluminum oxide using pre-fired anodes, the cell including an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a partial view of a cell similar to that shown in fig. 1, and shows another embodiment of the invention.

Under henvisning til tegningen, som tjener til å anskueliggjøre oppfinnelsen og ikke begrense denne, og hvor like henvis-ningstall er benyttet for tilsvarende deler, er der på fig. 1 vist et oppriss, delvis i snitt, av en aluminiumreduksjonscelle med forhåndsbrente elektroder. Den viste reduksjonscelle er av vanlig type i alle henseender med unntak av tilføyelsen av det lagdelte materiale som ifølge oppfinnelsen er innskutt mellom karbonforingen og celleisolasjonen. Reduksjonscellen 10 består av en stålmantel eller en beholder 12 med et i bunnen anordnet lag 14 av et egnet isolerende materiale, f.eks. aluminiumoksid eller isolerende eller ildfast sten eller kombinasjoner herav, og et karbonholdig bunnlag 16 som holdes på avstand fra isolasjonslaget 14 ved hjelp av det lagdelte materiale i henhold til oppfinnelsen, som vil bli beskrevet senere. Det karbonholdige lag 16 er dannet enten av et monolittisk lag av stampet karbonpasta som er brent på plass eller av på forhånd formede og brente karbonblokker. Sideveggene 18 av cellen 10 er vanligvis dannet av stampet karbonpasta, men der kan også benyttes andre materialer, f.eks. silisiumkarbidsten. Det karbonholdige lag 16 og sideveggene 18 avgrenser en fordypning eller et hulrom 19 som er innrettet til å inneholde en smeltet aluminiumsump 24 og en smeltet elektrolytt eller et bad 26 bestående hovedsakelig av kryolitt med oppløst aluminiumoksid. Ved drift vil der danne seg en skorpe 28 av størknet elektrolytt og aluminiumoksid over elektrolytten eller badet 26 og nedover langs karbonsideveggene 18. Aluminiumoksid tilføres cellen ved hjelp av ikke viste, egnede organer i henhold til en valgt timeplan. Vanligvis blir aluminiumoksid tømt ned på det størknede skorpelag 28, som periodevis blir brutt ved hjelp av egnede, ikke viste organer for å tillate det oppvarmede aluminiumoksid å strømme inn i badet 26 for tilførsel av nytt aluminiumoksid. Stålsamleskinner 30 er innleiret i det karbonholdige bunnlag 16 og er elektrisk forbundet med en ikke vist katodesamleskinne ved hjelp av egnede organer ved de utragende ender. Cellen 10 omfatter ytterligere en rekke karbonanoder 20 som holdes i elektrolytten 26 ved hjelp av stålstenger 22 som er mekanisk og elektrisk forbundet med en ikke vist elektrisk kraftkilde ved hjelp av egnede kjente organer, f.eks. ved hjelp av ikke viste anodestaver som på sin side er forbundet med en ikke vist anodesamleskinne. With reference to the drawing, which serves to illustrate the invention and not to limit it, and where the same reference numbers are used for corresponding parts, there is in fig. 1 shows an elevation, partially in section, of an aluminum reduction cell with pre-fired electrodes. The reduction cell shown is of the usual type in all respects with the exception of the addition of the layered material which, according to the invention, is inserted between the carbon lining and the cell insulation. The reduction cell 10 consists of a steel jacket or a container 12 with a layer 14 arranged at the bottom of a suitable insulating material, e.g. aluminum oxide or insulating or refractory stone or combinations thereof, and a carbonaceous bottom layer 16 which is held at a distance from the insulation layer 14 by means of the layered material according to the invention, which will be described later. The carbonaceous layer 16 is formed either from a monolithic layer of stamped carbon paste that is fired in place or from preformed and fired carbon blocks. The side walls 18 of the cell 10 are usually formed from stamped carbon paste, but other materials can also be used there, e.g. the silicon carbide stone. The carbonaceous layer 16 and the side walls 18 define a recess or cavity 19 which is adapted to contain a molten aluminum sump 24 and a molten electrolyte or bath 26 consisting mainly of cryolite with dissolved aluminum oxide. During operation, a crust 28 of solidified electrolyte and aluminum oxide will form over the electrolyte or bath 26 and down along the carbon side walls 18. Aluminum oxide is supplied to the cell by means of suitable organs not shown according to a selected schedule. Generally, alumina is poured onto the solidified crust layer 28, which is periodically broken by suitable means, not shown, to allow the heated alumina to flow into the bath 26 for the supply of new alumina. Steel bus bars 30 are embedded in the carbonaceous bottom layer 16 and are electrically connected to a cathode bus bar, not shown, by means of suitable means at the projecting ends. The cell 10 further comprises a number of carbon anodes 20 which are held in the electrolyte 26 by means of steel rods 22 which are mechanically and electrically connected to an electrical power source not shown by means of suitable known means, e.g. by means of anode rods not shown which in turn are connected to an anode busbar not shown.

På fig. 1 er det lagdelte skikt ifølge oppfinnelsen vist som et lag av malt glass eller avfallsglass (glasskår) mellom to lag av et høytemperatur-materiale som kan fuktes av smeltet glass. Et eksempel på et egne materiale er et fibermateriale av aluminiumoksid og silisiumoksid fortrinnsvis i strimmel- eller matteform, f.eks. KA0W00L som er et materiale levert av The Babcock & Wilcox Company, eller FIBERFRAX, som er et materiale fra The Carborundum Company. Der kan også benyttes glassfiberull i form av platevatt. Lagene med høytemperatur-materiale er betegnet som henholdsvis 38A og 38B. Et tynt lag av aluminiumoksid, fortrinnsvis mindre enn 13 mm tykt, er anordnet på det lagdelte skikt for å jevne ut overflaten for anbringelse av det karbonholdige bunnlag 16. Aluminiumoksid-laget bør ikke være altfor tykt, da det isåfall vil være tilbøyelig til å isolere glass- eller glasskår-laget fra å smelte så raskt som det er ønskelig. Videre kan glasskårene tjene som utjevningslag hvis dets tykkelse økes noe. In fig. 1, the layered layer according to the invention is shown as a layer of ground glass or waste glass (shards of glass) between two layers of a high-temperature material which can be wetted by molten glass. An example of a separate material is a fiber material of aluminum oxide and silicon oxide, preferably in strip or mat form, e.g. KA0W00L which is a material supplied by The Babcock & Wilcox Company, or FIBERFRAX which is a material from The Carborundum Company. Fiberglass wool in the form of cotton wool can also be used. The layers with high-temperature material are designated as 38A and 38B respectively. A thin layer of aluminum oxide, preferably less than 13 mm thick, is provided on the layered layer to level the surface for application of the carbonaceous bottom layer 16. The aluminum oxide layer should not be too thick, as it will otherwise tend to insulate glass or broken glass-made from melting as quickly as desired. Furthermore, the glass shards can serve as a leveling layer if its thickness is increased somewhat.

Det granulære aluminiumoksid som benyttes til isolasjon, kan være det kalsinerte aluminiumoksid som benyttes som tilset-ningsmateriale i elektrolysecellen, men det kan være et som er noe mer stabilt, dvs. er blitt sterkere kalsinert og struk-turelt er hovedsakelig fullstendig alfa-aluminiumoksid (aAl203). The granular aluminum oxide that is used for insulation can be the calcined aluminum oxide that is used as an additive in the electrolysis cell, but it can be something that is somewhat more stable, i.e. has been more strongly calcined and structurally is mainly completely alpha aluminum oxide ( aAl2O3).

Det granulerte glasslag 36 kan være vanlig natronkalkglass, f.eks. knust glass. Glasset bør ha et forholdsvis lavt mykningspunkt (under 800°C), slik at glasspartiklene vil mykne og smelte til et sammenhengende plastisk lag og således danne en ikke-stiv, tilpasningsdyktig barriere når cellen første gang blir oppvarmet. Under fortsatt drift av cellen vil andre materialer som foreligger i cellen, f.eks. Na20, CaO, AI2O3 og Na20-llAl203 reagere eller smelte sammen med dette glass for å gi høyeresmeltende forbindelser, f.eks. nefelin (Na20-AI2O3 • 2Si02) , albitt (Na20-Al203 • 6Si02) etc, som vil omdanne den midlertidige, plastiske glassbarriere til en permanent, stiv sådan. Glasslaget har en forholdsvis liten tykkelse, f.eks. på 13-25 mm. Høytemperatur-materialet i matte-eller platevattform, dvs. lagene 38A og 38B, har også fortrinnsvis relativt liten tykkelse, f.eks. hvert på ca. 6 mm. Når glasslaget blir tyktflytende, må det holdes tilbake. Det har en høy overflatespenning og er tilbøyelig til å danne kuler. På grunn av denne egenskap av det tyktflytende glass må minst ett lag av høytemperatur-materialet være anordnet enten på toppen eller bunnen av glasslaget. Dette er vist på fig. 2, som er et delsnitt gjennom cellen, og hvor det lagdelte skikt består av glasskårskiktet 36 som ligger over et bunnlag 38A av høytemperaturmaterialet. Laget 3 8A er anordnet på toppen av aluminiumoksid-isolasjonslaget 14, mens et tynt lag 34 av aluminiumoksid fortrinnsvis er anordnet på toppen av glasslaget 36. Laget 34 vil kunne utelates og det granulære glasslag 36 benyttes til utjevning av overflaten for anbringelse av karbonbunnen 16. The granulated glass layer 36 can be ordinary soda lime glass, e.g. broken glass. The glass should have a relatively low softening point (below 800°C), so that the glass particles will soften and melt into a cohesive plastic layer and thus form a non-rigid, conformable barrier when the cell is first heated. During continued operation of the cell, other materials present in the cell, e.g. Na2O, CaO, Al2O3 and Na2O-llAl2O3 react or fuse with this glass to give higher melting compounds, e.g. nepheline (Na20-AI2O3 • 2Si02), albite (Na20-Al203 • 6Si02) etc, which will convert the temporary, plastic glass barrier into a permanent, rigid one. The glass layer has a relatively small thickness, e.g. of 13-25 mm. The high-temperature material in mat or plate wadding form, i.e. the layers 38A and 38B, also preferably has a relatively small thickness, e.g. each of approx. 6 mm. When the glass layer becomes viscous, it must be held back. It has a high surface tension and tends to form globules. Because of this characteristic of the viscous glass, at least one layer of the high-temperature material must be arranged either on top or on the bottom of the glass layer. This is shown in fig. 2, which is a partial section through the cell, and where the layered layer consists of the glass shard layer 36 which lies above a bottom layer 38A of the high-temperature material. The layer 3 8A is arranged on top of the aluminum oxide insulating layer 14, while a thin layer 34 of aluminum oxide is preferably arranged on top of the glass layer 36. The layer 34 can be omitted and the granular glass layer 36 is used to level the surface for placing the carbon base 16.

Glasslaget utgjer en midlertidig barriere inntil der dannes et permanent lag av nefelin eller albitt eller et annet syntetisk materiale ved samvirkning mellom glasset og den natrium-metalldamp som avgis fra undersiden av den innskutte karbon-fåring. Disse forbindelser har høyere smeltepunkt enn det glass de er dannet av. Smeltepunktene ligger faktisk langt over normale bad- og katodetemperaturer. Når albitt- eller nefelin-barrierene først er dannet, vil de hindre eller vanskeliggjøre infiltrering av badvæske gjennom isolasjonen og fremmarsj av natriumdamp og gassformede fluoridkomponenter, slik at forringelse og ødeleggelse av isolasjonen hindres. The glass layer forms a temporary barrier until a permanent layer of nepheline or albite or another synthetic material is formed by interaction between the glass and the sodium metal vapor emitted from the underside of the cut-in carbon lining. These compounds have a higher melting point than the glass from which they are formed. The melting points are actually far above normal bath and cathode temperatures. Once the albite or nepheline barriers are formed, they will prevent or make difficult the infiltration of bath fluid through the insulation and the advance of sodium vapor and gaseous fluoride components, so that deterioration and destruction of the insulation is prevented.

Det er viktig at cellen har tilstrekkelig bunnisolasjon, slik at størkningssonen for det infiltrerte bad (den såkalte kritiske isoterm) såvidt mulig befinner seg fullstendig inne i isolasjonen og ikke i karbonfåringen. Det lagdelte skikt av glass og høytemperaturmateriale må da anbringes mellom karbonforingen og stedet for den kritiske isoterm, slik at badvæske som stanses av barrieren, ikke vil kunne størkne. Glasset må også plasseres på et sted hvor temperaturen er høy nok til å smelte og forene det like etter oppstarting av cellen. I praksis krever disse betingelser hovedsakelig at den sammensatte barriere må plasseres meget nær bunnen av karbonfåringen. It is important that the cell has sufficient bottom insulation, so that the solidification zone for the infiltrated bath (the so-called critical isotherm) is as far as possible completely inside the insulation and not in the carbon lining. The layered layer of glass and high-temperature material must then be placed between the carbon liner and the location of the critical isotherm, so that bath liquid stopped by the barrier will not be able to solidify. The glass must also be placed in a place where the temperature is high enough to melt and unite it immediately after starting the cell. In practice, these conditions mainly require that the composite barrier must be placed very close to the bottom of the carbon lining.

Claims

1. Electrolysis cell of the Hall-Heroult type for the reduction of aluminum oxide, comprising a steel jacket (12), one or more anodes (20), one or more steel busbars (30), a layer of aluminum-containing material (14) arranged as an insulating layer on the bottom part of the cell and a layer of electrically conductive, carbon-containing material (16) arranged on the insulating layer, characterized in that between the insulating layer (12) and the carbon-containing layer (16) a layered material (38A,36,38B) is inserted ) consisting of at least one layer (38A/38B) of high temperature wettable material of molten glass, and a layer (36) of ground low temperature glass with a softening point below 800°C.

2. Cell as specified in claim 1, characterized in that the layer of ground glass (36) is laminated between two layers (38A, 38B) of a high-temperature material which can be wetted by molten glass.

3. Cell as specified in one of claims 1 or 2, characterized in that the high-temperature material is a fibrous material of aluminum oxide-silicon oxide in mat form.

4. Cell as specified in one of claims 1 or 2, characterized in that the high-temperature material is glass fiber wool in plate wadding form.

5. Cell as specified in one of the preceding claims, characterized in that the glass layer (36) has a thickness of 12-26 mm.

6. Cell as stated in one of the preceding claims, characterized in that the layer or layers (38A.38B) of high-temperature material have a thickness of approx.

6.4 mm.