168156. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés fém, mint alumínium előállítására
5 168156 6 katód-felülettel, így átöblíti az alumíniumot vagy magnéziumot és egyúttal az alkálifémnek a katód szénfelületével történő reakcióját inhibiálja. Megjegyezzük, hogy a kis anód-katód távolság a klór és a könnyűfém közelsége ellenére meglepő módon az áram-hatásfok javulásához vezet. Mint említettük, a fürdőben levő anód-termék hozzáfér a katódfelülethez, a fürdőben jelen levő oxid-szennyezések dacára átöblíti az alumíniumot és elősegíti az olvadt fémrészecskék egyesülését meglepő módon io anélkül, hogy a fém újra-klórozása fellépne és ezzel az eljárás gazdaságosságát rontaná. Megfigyeltük, hogy sok, fluorid elektrolitra — mint pl. a timföld elektrolízisnél használt elektrolitra - aránylag érzéketlen tűzálló anyag igen 15 érzékeny a klorid-alapú elektrolitokra és az alumíniumklorid elektrolízisnél képződő klórgázra. Az alumíniumklorid elektrolízisnél a tűzálló anyagok ilyen — kémiai reakció következtében fellépő — károsodásának egyik következménye a cellákban 2C tapasztalható iszapképződés. Az alumíniumnak alumíniumkloridból, elektrolízissel történő termelésénél ennek az iszapnak a jelenléte nemcsak a cellák hatásfokát rontja fokozatosan, de gyors képzése esetén sűrű leállásokat tesz szükségessé a 25 cellák tisztítása és az iszap eltávolítása érdekében, ami természetesen a termelés gazdaságosságát rontja. A konvencionális Hali-féle redukáló cellákban alkalmazott tűzálló anyagok, mint a kvarc, kvarc-alumíniumoxid, kvarc-alumínium, de még a 30 nitrid-kötőanyagú szilíciumkarbid is csak korlátoltan állnak ellen az elektrolitnak. Az eddig használt tűzálló anyagok" további problémát okoznak parciális oldhatóságuk miatt is. A bennük levő oxid az anód szenét fogyasztja, 35 azzal széndioxidot és szénmonoxidot képez, ezek az anyagok pedig végzetesen befolyásolják az alumínium alumíniumkloridból történő előállítását. Szilíciumdioxid-alapú tűzálló anyag használata esetén a szilícium szennyezi az előállított alumíniumot 40 és az így szennyezett alumínium az eddig használt tűzálló anyagok korrózióját elősegíti. A találmány szerint az alumíniumklorid elektrolízis számos nehézsége csökkenthető vagy elkerülhető nitrid-alapú tűzálló anyagok használata 45 útján. Nitrid-alapú tűzálló anyagon olyan tűzálló szerkezetű anyagot értünk, amely vagy egy nitridből magából, vagy valamely nitridet tartalmazó keverékből, vagy valamely nitrid vegyületéből áll. Ilyen tűzálló anyagok pl. az olyan nitrid és 50 szilíciumoxid, bóroxid vagy alumíniumoxid keverékek vagy vegyületek, melyek 25% és 60% közötti mennyiségű nitrogént tartalmaznak. Előnyösen használható nitridek a szilícium- bór-, és alumíniumnitrid. A találmány szerint használhatók azon- 55 ban egyéb nitridek is, így a titán-, króm-, hafnium-, gallium-, cirkónium- és hasonló nitridek is. A találmány szerinti értelemben használható nitrid-alapú anyagok közé tartoznak továbbá a szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott szilíciumoxid, 60 a szilíciumnitrid, az alumíniumnitrid és a bórnitrid. Egyéb használható nitridek közé tartoznak pl. az olyan nitrid-alapú anyagok, melyekben a fémion alumínium-, bór- vagy szilíciumion. A kereskedelemben pl. Norton szilíciumoxinitrid 65 LON-4072-ként kapható anyag általános képlete Si2 ON 2 , melyet szilíciumnitrid (Si 3 N 4 ) és szilíciumdioxid kombinációnak tartanak. Szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott szilíciumdioxid kapható a kereskedelemben Reflax-FS termék néven (Carborundum gyártmány). A találmány megvalósítása során használható fent nevezett tűzálló anyagok előformázhatok sajtolással, a helyszínen alakíthatók öntéssel cella-bélésanyaggá, alakíthatók melegsajtolással, vagy nagyobb tömbökből végzett kivágás útján összeillesztéssel. E tűzálló anyagok cella-bélésanyagként való használata esetén a bélés lehet folytonos bevonat, állhat különálló, egymás mellé helyezett tömb-darabokból, vagy megfelelő korrózióálló ragasztószerrel egymáshoz kötött tömb-darabokból vagy rétegekből. Ezek az anyagok a találmánynak megfelelően nemcsak cella-bélésanyagként, de egyéb cella szerkezeti elemekként, így pl. bipoláris elektródok egyes elektródaelemeit tartó távtartókként, mintavevő-csövekként vagy a cellák vezeték-csonkjaiként is használhatók. Ilyen tűzálló anyagok a cella valamennyi elektrolittal rendelkező szerkezeti elemeként alkalmazhatók. Szemléltető példaként említjük azt az esetet, melynél egy több-rekeszes, szilíciumoxinitrid-bélésű és ugyanezen anyagból készült bipoláris elektród-távtartókkal ellátott cellában állítottunk elő alumíniumot. A cella 700 C° hőmérsékleten lényegében folytonosan üzemelt. A halogenid-só olvadék-fürdő körülbelül egyenlő súlyrész nátriumkloridból és lítiumkloridból állt és oldott állapotban mintegy 6 súly% alumíniumkloridot tartalmazott. Az elektrolizált alumíniumklorid pótlására folytonosan friss alumíniumkloridot tápláltunk a fürdőbe. A cellát folytonosan 120 napig üzemeltettük kb. 2,7 Volt rekeszenkénti feszültséggel. Ez alatt az idő alatt a fürdőben elszennyeződés nem volt kimutatható és a műveleti hatásfok sem csökkent. Ugyanezt tapasztaltuk abban az esetben is, amikor tűzálló anyagként szilíciumoxinitrid helyett szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott szilíciumdioxidot használtunk. Noha ez ma még nem tökéletesen tisztázott, úgy tűnik, hogy az alumíniumklorid alkálifémklorid-olvadékban végzett elektrolízisének egyes, régóta ismert problémáit bizonyos, a sóolvadék-fürdőben jelenlevő finomeloszlású, nem kívántos szennyezőanyagok okozzák. Ezeket a szennyezőanyagokat elektrosztatikus erők a katódhoz vonzzák, ahol félig-áteresztő bevonatot képeznek. Ez az oxid- vagy egyéb bevonat gátolja a katódfelületen a komplex Al-ion transzportját, mert annak mérete töltéséhez képest nagy. Ezzel ellentétben az alkálifém-ionok az elektromos feszültség gradiensének hatására gyorsan vándorolnak és bőséges mennyiségük, valamint töltésükhöz képest kis méretük miatt könnyen hatolnak át a nevezett rétegen és a katódon semlegesítődnek. A redukált fémek — főként nátrium és kálium — behatolnak a grafitrácsba, mely ennek következtében kiterjed, felülete lehámlik és így anyaga belekerül a rendszerbe. Ily módon az alumíniumklorid konvekciós vagy diffúziós mozgékonysága jelentősen hátráltatott. 3
