Back to search

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

Durable Materials in Primary Aluminium Production

Awarded: NOK 14.4 mill.

Katodeslitasje er en av de viktigste årsakene til at aluminium elektrolyseceller må skiftes ut. I løpet av de siste 10-20 årene har antrasittiske karbonkatoder blitt erstattet med grafittiserte karbonkatoder, noe som tillater høyere strømgjennomgang og høyere produktivitet samtidig som energiforbruket reduseres pga lavere motstand i grafittiserte katoder sammenliknet med antrasittiske. Disse fordelene må imidlertid vurderes opp imot høyere materialkostnader og en erfart kortere levetid. I tillegg gir grafittblokkene et svært ujevnt slitasjemønster, spesielt i ytterkant av langsidene i cella, noe som gir opphav til et W eller WW slitasjemønster i lengderetningen av cella. DuraMat har avklart mange av materialreaksjonene som påvirker karbonkatodene, bl.a. gjennom studier i laboratorieceller av reaksjonskinetikk, transportmekanismer og andre forhold som påvirker reaksjonene. DuraMat har også benyttet makro- og mesoskala modellering og simulering av transportmekanismer samt atomskala modellering av katodestruktur og natriumdiffusjon for å forstå de kjemiske mekanismene. Selv om prosjektet har utviklet logiske modeller for mekanismer som danner bakgrunn for økt slitasje i industrielle celler, gjenstår det fortsatt noe usikkerhet rundt de store forskjellene i slitasje i forskjellige deler av karbon katodebunnen i industrielle celler. DuraMat har vært et samarbeid mellom NTNU og SINTEF i tett samarbeid med industripartnerne Hydro Aluminium, Elkem Carbon og Søral. Prosjektresultatene har vært presentert for industri- og prosjektdeltakere i seminarer to ganger hvert år i prosjektperioden. Resultatene er også presentert i internasjonale konferanser og publisert i fagfellevurderte vitenskapelige tidsskrifter.

Today, the service lifetime for aluminium electrolysis cells is limited by the materials used in the bottom of the cell, particularly the carbon cathode. The primary objective of the project is to significantly improve the physical understanding and build a strong competence concerning the thermodynamics, the kinetics, and the transport phenomena that are relevant for materials intended for use in aluminium cells. By gaining such knowledge, it will be possible to design better test methods as well as bett er models concerning chemical reactions and general behaviour of the materials. This will again enable more precise predictions concerning performance, better advice concerning choice of materials, and guidelines for improved cell design. The more challe nging task is probably the achievement of a correct description of the conditions at the top of the cathode carbon. The rate of cathode wear appears to be strongly dependent on the local current density, and the formation of a carbide layer in this region may be critically important. Furthermore, it is necessary to obtain a better description of the transport and behaviour of sodium in the cathode materials. A number of experimental methods will be used in the accomplishment of the project, comprising el ectrochemical studies in laboratory cells mimicking the conditions at the cathode in industrial cells and sodium expansion measurements in atmospheres with different sodium vapour pressures. Advanced characterization of materials and deterioration product s will be carried out. Multilevel mathematical modelling will be important. Micro-scale models will be important tools in the screening of hypotheses, as well as in the interpretation of experimental data. The micro-scale models will be integrated into a macro-scale model intended to be used for industrial cells.

Funding scheme:

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena