191107. lajstromszámú szabadalom • Flotáló katód hall-heroult aluminiumgyártási eljáráshoz
1 191 107 2 A találmány tárgya flotáló katód Hall-Heroult alumíniumgyártási eljárásnál használt, anódszén és folyékony alumíniumkatódréteg között megolvasztott kriolitalapú fürdőt tartalmazó elektrolizáló kádhoz, amelynek legalább egv, villamosán vezető tűzálló anyagból, például titánboridból kialakított, a folyékony alumíniummal és az elektrolittal szemben semleges anyagú közbenső tartón elhelyezett aktív katódcleme van. Ismeretes, Imgv a llall-Ileroult alumíniumgyártási eljárásnál a katódot azonos kialakítású széntömbökből állítják össze, amelyekbe fémrudat erősítenek és ezekhez csatlakoztatják az elektromos vezetéket, amelyekkel a sorosan elrendezett kádak között biztosítják az elektromos összeköttetést. Normál üzemi körülmények között a kád alját kb. 20 cm vastag folyékony alumíniumréteg fedi. A modern elektrolizáló kádakban, amelyek manapság mintegy 200 000 A áramerősséggel működnek, legalább 40 mm-es pólustávolságot tartanak az anód és a folyékony alumíniumréteg felülete között, hogy kiküszöböljék a hullámzás révén alumíniumnak vagy nátriumunk anódrn jutását és a rcoxidációs károsodásokat. Ez ugyanis jelentős feszültségesést okoz, ami túllépheti az 1,5 V-ot, ami több, mint harmada az elektrolizáló kádra adott kapocsfeszültségnek. A különböző eljárások közül, amelyek a katód folyékony alumíniummal történő jobb nedvesítését és a folyékony alumíniumnak a fürdő hullámzásából eredő anódra jutásának elkerülését célozzák, közismert a titán- és cirkónium-boridok alkalmazása, amelyeket széleskörűen használnak elektromosan vezető tűzálló anyagként. Általában a periódusos rendszer 4A, 5A és 6A csoportjába sorolható fémek boridjai, karhidjai és nitridjei jöhetnek szóba, konkrétan a titán-borid és a cirkónium-borid alkalmazási lehetőségeire irányultak a kutatások. Ezeknek az anyagoknak a Hall-Heroult elektrolízis kádban való alkalmazását három előnyös tulajdonságuk indokolja: — elektromos ellenállásuk kisebb, mint 1000 pohmem; és előnyösen 100 pohmem 950 °C és 970 °C közötti intervallumban, — a folyékony alumíniummal kedvezően nedvesíthet ők és — vegyi és fizikai semlegességük a folyékony alumínium és az elektrolitfiirdő vonatkozásában. 1000 °C-on a titán-borid elektromos ellenállása 60 pohrnem, a cirkónium-boridé 74 pohmem, azaz mintegy 2-2,5-szerese a folyékony alumíniuménak, de több mint 5000-szer kisebb az elektrolitfürdő ellenállásánál, amely normál üzemi körülmények között 450 000 pohmem. A folyékony alumíniummal kedvező a „nedvesíthetőségük” és lényegében közömbösek a megolvasztott kriolittal szemben. A titán és a cirkónium drága volta miatt katódtömböket nem készítettek belőlük, inkább mérsékelt vastagságú bevonatokat gyártanak különböző vékonyréteg technológiával, pl. vákuumgőzölés (lásd „Alumínium” című Német Szövetségi Köztársaság-beli szaklap cikkét: 1980. október hó, 642—648. oldalak, továbbá 1980. november hó, 713—718. oldalak, „Inert katódok alumíniumelektrolízisénél Hall-IIeroult cellákban”, szerzők: K. Billehang és H. A. Gye.) A fent említett titán- és cirkónium-borid bevonatok a probléma viszonylag kielégítő megoldását adják, de aránylag nagymértékű a kopásuk a folyékony alumíniummal való érintkezés következtében. Egy tonna alumínium előállításánál kb. 200 g titán-boridra van szükség. Ráadásul az elhasználódott katódok cseréje a kád részbeni szétszerelésével és üzemszünetével jár együtt, amely a folyamatos termelést hátráltatja. Titán-borid katódelemeket Hall-Heroult alumíniumgyártáshoz említenek a következő francia szabadalmi'leírások: I 195 505, 1 203 015, 1 205 875, 1 227 951, 1 229 537, 1 148 068, 1 149 468, a British Aluminium Company Ltd., nevére bejegyezve: 1 165 136. Naiser Aluminium, továbbá a 2 337 210. ALCOA, 2 430 464. ALUSU1SSE nevére bejegyezve. Ebben a tárgyban az alábbi Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírások kerülhetnek még szóba: 4 177 128. ITC. Industries és a 4 093 524. KAISER Aluminium nevére bejegyezve. A fentiekből nem állapítható meg, hogy alkalmazzák-e azokat ipari méretekben. Az ALUSUISSE 2 471 425. számú francia szabadalmi leírás szerint titán-karbid granulátummal öntik fel 2 mm vastagságban az elektrolizáló kád alját. Az aluminium Pechiney nevére bejegyzett 2 500 488. számú francia szabadalmi leírás olyan eljárást ismertet Hall-Heroult alumíniumgyártási technológiával kapcsolatban, amelynél az elektrolizáló kád katód-alapján titán-borid katódelemeket úgy rendeznek el, hogy azok sem a kalódalappal, sem egymással nincsenek összekapcsolva. A kialakítás lehetővé teszi, hogy az anód síkja és a titán-borid katódelemek síkja közötti távolságot 30 és 10 mm közötti értékűre rögzítsék. A találmánnyal összhangban továbbá kialakítható olyan megoldás, amelynél a titán-borid katódelemeket közbenső grafittartóval rögzítik, amelyet a katódlapon helyeznek el. Egy póttanúsítványban foglalt Aluminium Pechiney nevére bejegyzett megoldás olyan eltávolítható katódkialakítást ismertet, amely semleges, közbenső tartórészből és ehhez rögzített, és szétválasztható, elektromosan vezető tűzálló anyagból, például titán-boridból készíteti aktív kalódclcmckből áll, ahol az eltávolítható katód átlagos viszonylagos sűrűsége nagyobb, mint a folyékony alumínium sűrűsége normál üzemi körülmények között. A találmánnyal célunk a fenti hiányosságok kiküszöbölése, azaz olyan katód kialakítása, amely lényegesen jobb hatásfokkal működik, mint az ismert megoldások. A kitűzött feladatot a találmány szerint úgy oldottuk meg, hogy a katódnak legalább egy, villamosán vezető tűzálló anyagból, pl. titán-boridból kialakított, folyékony alumíniummal és az elektrolittal szemben semleges anyagú közbenső tartón elhelyezett aktív katódelcme van, ahol az aktív kntódclcmből és a közbenső tartóból álló egység átlagos, viszonylagos sűrűsége kisebb, mint az elektrolizáló kádban levő folyé5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
