194588. lajstromszámú szabadalom • Hall-Heroult elektrolizáló cella aszimmetrikus katód rudakkal és hőszigeteléssel
1 ; 194 588 2 A találmány tárgya Hall-Heroult elektrolizáló cella aszimmetrikus katód rudakkal és hőszigeteléssel, amelyet az alumíniumgyártásban lehet alkalmazni, és amelynél az elektrolizáló cellák keresztben vannak elrendezve, vagyis úgy, hogy a cellák fő- vagy hoszszanti tengelyei merőlegesek a cellasor tengelyére. Ismeretes, hogy a Hall-Heroult elektrolízisnél alkalmazott cellák katódját egymás mellé helyezett széntartalmú tömbökből alakítják ki, amelyeknek alsó felületei egy vagy több horonnyal vannak ellátva, és a hornyokba négyszögletes, téglalap vagy kör keresztmetszetű acélrudak vannak rendszerint öntéssel tömítetten beágyazva, és a cellasort képező cellák szomszédos tagjai közötti összeköttetéseket képező vezetékek ezeknek az acélrudaknak a végeivel vannak összekötve. A tömbök széntartalmú pasztával vannak egymással összekötve, mely paszták ragasztó- vagy tömítőpaszták, vagy pedig széntartalmú ragasztóanyaggal vannak összeragasztva, a szakember számára jólismert módon. A katódot a folyékony alumíniumtól el kell szigetelni, mivel az alumínium hőmérséklete az olvasztott timföldben vagy kriolitban feloldott alumínium elektrolízise folyamán 940 és 1000 °C között van. A katód gyűjti össze azt a villamos áramot, ami a cellán függőleges irányban folyik keresztül, és amely egymást követően egy vagy több szénanódon, a timföldfürdőn, a folyékony alumíniumon és a katódon halad keresztül. A katód villamosán össze van kötve alumínium (vagy réz) vezetékekkel, amelyek az áramot a sorban levő következő cellába vezetik át. Az összeköttetést forrasztással, kemény- vagy rézforrasztással vagy az acélrudak végeinek az alumíniumból vagy rézből készült, hajlékony vezetékkel történő összefogásával és összeszorításával valósítják meg, ahol a hajlékony vezetéket magát az áramvezető vezetékkel forrasztják össze. Azokban az esetekben, amikor a cellák a cellasor tengelyéhez képest keresztben, vagyis oly módon vannak elrendezve, hogy tengelyük merőleges a cellasor tengelyére, a katódtömböket a cellasor tengelyéhez képest párhuzamosan helyezik el. Ebben az esetben a következő cellához vezető villamos összeköttetést két vezetékáramkörrel valósítják meg, amelyek a következők:- az áramlás irányával ellentétes irányú áramkörrel, amely azoknak a rudaknak a végeit köti össze a következő cellával, amelyek a cellasor irányával (vagyis a cellasorban folyó áram irányával) ellentétes irányban helyezkednek el; — az áramlás irányával megegyező irányú áramkörrel, amely azoknak a rudaknak a végeit köti össze a következő cellával, amelyek a cellasor irányában ' (vagyis a cellasorban folyó áram irányában) helyezkednek el. A szakemberek tudatában vannak annak, hogy a katódon elhelyezett folyékony alumíniumréteg stabilitásában komoly zavarok lépnek fel, ha a cellában levő villamos szimmetria hatására nagyobb áram folyik a cella áramlási iránnyal megegyező oldalánál, mint a cella áramlási iránnyal ellentétes oldalánál. Ez a jelenség azoknak az áramoknak a jelenléte miatt lép fel, amelyeket „utolérő” áramoknak neveznek, amelyek az áramlási iránnyal megyező oldalon levő anódokon jönnek kijiogy az áramlási iránnyal ellentétesen elhelyezkedő áramkörbe menjenek vagy fordítva. Ezek kölcsönhatásba lépnek azzal a mágneses erőtérrel/ amelyet a cellákban azért hoznak létre, hogy a folyékony alumíniumban olyan belső erőket hozzanak létre, amelyek elegendően nagyok erőteljes mozgások előidézésére, beleértve a teljes fémréteg mozgását. Az elektrolízises eljárás hatékonysága, amely rendszerint 90 és 95 % között van, ilyen esetekben nagyon lecsökken, és 80%-nál, vagy akár 70 %-nál is kisebb értékre eshet le. Ennek a hibának a kijavítására az elektrolizáló cellákat rendszerint úgy alakítják ki, hogy a közepükön keresztülhaladó függőleges tengelyre nézve vagy pedig a cella hosszanti tengelyét magábafoglaló függőleges síkra nézve szimmetrikusak. Ideális esetben az áramlási iránnya( ellenkező irányú áramkör villamos ellenállásának azonosnak kellene lennie az áramlási iránnyal megegyező irányú áramkör villamos ellenállásával, hogy a katódra nézve villamosán szimmetrikus állapotot hozzanak létre. Ezt úgy érik el, hogy az áramlási iránnyal ellenkező irányú áramkörnek, mely hosszabb, megnövelik a keresztmetszetét, míg az áramlási iránnyal megegyező irányú áramkörnek, mely rövidebb, csökkentik a keresztmetszetét. Ha az áramlási iránnyal ellentétes irányú áramkör hosszát L-lel, keresztmetszetét pedig S-sel, az áramlási iránnyal megegyező irányú áramkör hosszát l-lel, keresztmetszetét s-sel jelöljük, akkor a következő feltételnek kell teljesülnie: L/S = 1/s (Ohm-törvény). Mivel az áramkör keresztmetszetét nem lehet túlzott mértékben lecsökkenteni, mert annak felmelegedése a forrasztások és az érintkezések minőségét lerontaná, a keresztmetszet csökkentésének mértéke rendszerint nagyon korlátozott. Ebben az esetben az áramkörök kiegyenlítése érdekében vagy az S keresztmetszetet kell megnövelni egy olyan érték fölé, ami feltétlenül szükséges, vagy pedig az L hosszúságot kell növelni úgy, hogy az áramlási irányba eső áramkörbe a cellákat megkerülő kiegészítő darabokat kell beiktatni. Az áramkörök teljes súlya mindkét esetben megnő, ezzel együtt a beruházási költségek is nagyobbak lesznek. Az elektrolizáló cellákban előállított hő egyrészt az elektrokémiai reakciókat táplálja, másrészt a termikus veszteségek fluxusait. Ezeket a veszteségeket a maximális mértékben lecsökkentik szigetelő hőálló anyagok alkalmazásával. A hőszigetelés olyan, hogy az oldalfalak felső részén keresztül elvezetett hőmennyiség elegendő ahhoz, hogy a folyékony fázis és az oldalfalak között a megszilárduló fürdő egy magától kialakuló hőszigetelő betétet tart fenn, amit védőgátnak szokás nevezni. Ennek a védőgátnak a jelenléte teszi lehetővé, hogy a fém olvasztókemencét megvédjék a folyékony fürdő és alumínium kőrrodeáló hatásától. Fontos, hogy a védőgát alsó része ne nyúljon túlzott mértékben a katódtömbök fölé, mivel ezzel csökkentené annak aktív felületének a területét, és ezzel a fentiekben említetthez hasonló utolérő 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
