Undersøkelse av metoder for elektrodemontering og -materialer i Hoopes-prosessen

Abstract

Aluminium fra Hall-Héroult-prosessen kan raffineres videre til superrent aluminium i en trelags elektrolyseprosess kalt Hoopes-prosessen. Elektrodene i prosessen består av grafitt, en beskyttende keramklokke, og de er koblet til en kobberskinne som leder strømmen bort fra ovnen.

Det er ønskelig å øke levetiden til elektrodene ved hjelp av alternative materialer og monteringsmetoder. I dag brukes det to ulike klokker, en av Al2O3 og en av nitrert SiC. SiC gir en bedre beskyttelse av grafitten, men det er allikevel interessant å finne alternative materialer som kan gi en bedre beskyttelse og som ikke inneholder like stor andel kritiske materialer.

Arkimedes metode og lekkasjetest ble utført på klokkene for å finne årsaken til at Al2O3 ikke klarer å beskytte grafitten like godt som SiC-klokkene. Resultatene fra Arkimedes metode for åpen og lukket porøsitet varierte noe for begge keramene sammenliknet med databladene. Ved lekkasjetesten kom det frem at Al2O3-klokken lakk en del, noe som ikke har vært tilfelle ved tidligere testing av SiC-klokkene. Halve klokken av Al2O3 var coatet med SiC-coating. Her er det usikkert om coatingen hadde noen effekt da det i lekkasjetesten ble observert utslag på hele klokken. Derfor bør det gjennomføres videre testing av aktuelle coatinger for å se om de har noen klar effekt på keramklokkene. Optimalt burde coatingen blitt brukt direkte på grafitten, men dette bør testes under kontrollerte forhold for å unngå forurensning i katoden. Dersom Al2O3-klokkene fortsatt skal brukes, kan det være en idé å høre med produsenten for å vurdere alternativ metode ved sintring for å unngå gjennomstrømning av gass.

Lengden av elektrodene og tilhørende spenningsdata fra ovnen ble bearbeidet. Det ble avdekket en sammenheng mellom varians i spenningsdata og lengde av elektrodene. Med resultatene fra elektrode- og spenningsmålinger anbefales det å lage en oppgradert standard for elektrodemontering.

Det ble sett på alternative keramer til klokkene, alternativ kontaktmasse og monteringsmetode for denne, og endring i metode ved preparering av kobberbolt og -skinne. Her ble det foreslått å bruke Al2TiO5 eller BN, som alternative keramer til dagens keramklokker, da de har de ønskede egenskapene. BN har noe lavere verdier for enkelte av de ønskede egenskapene, men består igjen ikke av kritiske materialer. Et alternativ til kontaktmasse er karbonlim, og dette bør undersøkes videre. Et forslag til endring av metode for stamping av organisk kontaktmasse er å øke temperaturen og varigheten på varmeprosessen, slik at massen blir lettere å jobbe med. Sodablasting er et mer skånsomt alternativ til pussing av kobberskinnene. Et annet alternativ kan være å bruke mineralet garnet eller glasskuler ved sandblåsing.

Aluminum from the Hall-Héroult process can be refined into high purity aluminum by using a three-layer electrolysis process called the Hoopes process. Graphite is used as the electrode material. The graphite is protected by a ceramic bell to prevent it from oxidation and assembled to a copper rail which leads the current out from the oven.

To increase the service life of the electrode, alternative assembly methods and materials are used. Today, two types of bells are used: one of Al2O3, and one of SiC which gives a better protection. However, it is desirable to identify materials that provide better protection, and which contain less critical materials.

To find out why Al2O3 offers less protection compared to the SiC-bells, the Archimedes method and a leakage test was performed. Compared with the data sheets, the results by using the Archimedes method showed somewhat larger variations for open and closed porosity for both ceramics. One test disclosed some leakage from the Al2O3 bell, which had not happened at previous tests of the SiC bell. The Al2O3 bell in question was partly covered by SiC coating, and it is uncertain if this affected on the results. These results indicate need of further testing of coatings.

Optimally, the coating should have been applied directly on the graphite, but this must be tested under controlled conditions to avoid contamination. If Al2O3 bells are still to be used, one should consult the manufacturer to consider alternative methods of sintering to avoid gas permeability.

The length of the electrodes and the associated voltage data from the oven were processed, and a connection between variation in voltage data and length of the electrodes was discovered. Based on the results of electrode- and voltage measurements, it is recommended to upgrade the standard for electrode mounting. Alternative ceramics for the bells, alternative contact masses and alternative mounting methods for this, as well as changes in the preparation method of copper bolt and –rails were considered.

It is suggested to use Al2TiO5 or BN as alternative ceramics to today's ceramic bells, as they have the desired properties. BN has a somewhat lower value for some of the desired properties but does not consist of any critical material. Carbon glue is an alternative to contact compound, and the use of this should be investigated further.

Based on this study we suggest changing the method for stamping organic contact compound by increasing the temperature and the duration of the heating period, as this will make the contact compound easier to work with. Sodablasting is a gentle alternative to sanding the copper rails. Another option could be to use Garnet or glass marbles when abrasive blasting.