CARMA - Reactivity of Carbon and Refractory Materials used in Metals Production Technology

Prosjektet CaRMa, "Reactivity of Carbon and Refractory Materials used in Metals Production Technology", har forsket på materialer som benyttes i moderne anlegg for framstilling av aluminium metall. I denne prosessen forbrukes karbon anoder i en elektrokjemisk reaksjon og nye anoder må derfor settes inn med jevne mellomrom. Karbon katoder og foringsmaterialer som den nedre delen av elektrolysecella er bygd opp rundt, forventes å holde i lang tid og bidra til stabile produksjonsforhold. Anoder lages av forskjellige typer petrolkoks som blandes med flytende tjære for å binde koksen sammen til en grønn anodeblokk. Tilgang på koks av høy kvalitet er begrenset og anodeprodusentene tester derfor kokskvaliteter som inneholder mer forurensningselementer i tillegg til at de kan ha en annen struktur. Endrede koksegenskaper kan påvirke reaktiviteten av anoden og bidra til uønskede reaksjoner som reduserer prosessens ytelse. I CaRMa har avanserte røntgen strålelinjer i Canada og Australia blitt benyttet for å bestemme hvordan svovel og metalliske forurensninger i koksene foreligger og hvordan disse påvirker anodeegenskaper. Det har blitt vist at svovel hovedsakelig foreligger i to konfigurasjoner og at egenskapene avhenger av dette. Resultatene av disse undersøkelsene er publisert i flere artikler og presenteret på industrielle fagkonferanser. En dr-avhandling ble også ferdigstilt høsten 2019. Anodene bakes i ovner opp mot 1200 °C, og både kjemiske reaksjoner og termisk spenninger bidrar til degradering av ovnsveggene. Gjennom teoretiske og praktiske undersøkelser av faseforekomstene i ildfastmaterialene er det påvist hvilke endringer som skjer, noe som har ført til økt forståelse av hva materialene eksponeres for, samt mekanismer som påvirker materialegenskapene. Prosjektet etablerte online analyser av gassammensetningen mellom anodene og anodeveggen, noe som ikke har vært rapportert tidligere. Dette har gitt ny og viktig informasjon om forholdene ovnsveggene utsettes for under baking. De eksperiementell resultatene er også implementert i modellberegninger. Resultatene av disse undersøkelsene er publisert i flere artikler og presenteret på industrielle fagkonferanser. En dr-avhandling ble også ferdigstilt høsten 2019. Uønsket elektrokjemisk tæring av katodene er blitt en økende industriell utfordring i takt med økt produktiviten i cellene. Mange forskjellige mekanismer for katodetæring er foreslått, men de fleste svikter i forhold til å forklare de reelle tæringsobservasjonene. CaRMa har ført til etablering av en ny mekanismeforståelse som forklarer hvordan tøøringen skjer og hvilke faktorer som er viktig for å redusere tæringen. Dette er basert på utførlige forsøk og analyser, blant annet fukting mellom bad og karbon og natriums innflytelse på tæringen. Resultatene har også ført til anbefalinger som vil øke levetiden av katodene. Resultatene av disse undersøkelsene er publisert i flere artikler og presenteret på industrielle fagkonferanser. En dr-avhandling ble også ferdigstilt høsten 2019. Varmebalansen i en elektrolysecelle er avhengig av isolasjonsmaterialene under katoden. Disse materialene påvirkes også over tid, både gjennom dimensjonsendringer og forringelse av de termiske egenskapene. Dette reduserer både elektrolysecellenes stabilitet og levetid. CaRMa har vist sammenhengen mellom faseendringer og materialegenskaper og har benytte dette til å utvikle mindre reaktive materialer som er satt i produskjon. Resultatene av disse undersøkelsene er publisert i flere artikler og presenteret på industrielle fagkonferanser. En dr-avhandling ble levert i slutten av 2019.

The CARMA project "Reactivity of Carbon and Refractory Materials used in Metals Production Technology" has focused on basic scientific research related to critical phenomena in modern aluminium production. The four focused areas of research have been on anode raw materials and anode performance, anode baking and degradation of anode furnace pits, mechanisms causing carbon cathode wear, and degradation mechanisms, stability and improvements of insulation recipes. The project has resulted in 4 PhD theses, more than 25 scientific journal papers. The results have also been presented at numerous industrially relevant scientific conferences.

Parasitic chemical and electrochemical reactions are some of the most pronounced material challenges in aluminium production today. In previous efforts to understand these reactions the focus has been on classes of materials, while recent studies indicate s that the materials' microstructure and trace element impurities may have a significant effect on reaction kinetics. The main research methods will be on electrochemical and chemical reactions to understand material properties and reaction kinetics in en vironments simulating the conditions in operations, i.e. the effects of exposure to bath, metal and volatiles on individual materials properties (microstructure, phases and impurities). This competence building project is a collaboration between SINTEF an d NTNU and the industrial partners Hydro, Alcoa, Elkem and Skamol. The precursor materials affect both microstructure and impurity content of carbon electrodes. Especially in anodes the range of inherent properties are extensive, both with respect to str ucture and impurities, and industrial tests do not predict all variations in anode performance. Impurity and structural effects will be studied by electrochemical, chemical and physical methods. Degradation of cathode materials are often limiting the life time of aluminium cells. Both chemical and electrochemical methods will be used to understand initiating reactions, mass transport mechanisms and kinetics related to bath, metal and volatiles. Many of the same mechanisms are evident in anode firing kilns, i.e. exposure to volatiles from impurities in the anode cokes and recycled butts. In addition, the materials in the kilns are subject to temperature cycling and recrystallization. The experimental work will be supported by modelling, using multiphysics f inite element modelling and atomistic simulations based on density functional theory. Besides established methodology, new experimental and characterization methods will be developed.