Анодное устройство
Изобретение относится к электролизеру для получения алюминия электролизом в расплаве электролита с инертным анодом. Инертный анод содержит тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, полость, выполненную внутри тела анода вдоль его оси и имеющую верхнее отверстие сверху тела анода, при этом боковая стенка анода окружает полость по ее периметру, штырь, имеющий первый конец, соединенный с источником тока, и второй конец, противоположный первому концу, причем второй конец проходит вниз в полость в теле анода через его верхнее отверстие до позиции, расположенной выше границы раздела расплав электролита-газ в электролизере, оболочку, полностью окружающую второй конец штыря внутри полости и проходящую из полости к первому концу для окружения части штыря, находящейся выше полости, элемент, проходящий от второго конца штыря через границу раздела расплав электролита-газ в электролизере, и заполнитель, удерживаемый в полости между внутренней поверхностью тела анода и штырем и предназначенный для поддержания электрического соединения между штырем и телом анода. При этом штырь выполнен из материала, выбранного из группы, включающей нержавеющую сталь, никель, сплав никеля, Инконель, медь, медный сплав или защищенную от коррозии сталь, оболочка выполнена из проводящего материала, выбранного из группы, состоящей из платины, палладия, золота, серебра и меди, окиси алюминия, элемент выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из меди, платины, палладия, золота и серебра, материал-заполнитель представляет собой жидкий цементный раствор, литой огнеупор, цемент, медь, медный сплав, платину, палладий, золото или серебро. Раскрыты варианты выполнения инертного анода. Обеспечивается стабильность анода в ванне во время производства металла за счет предотвращения образования и роста продуктов коррозии с помощью штыря. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая патентная заявка является окончательной и испрашивает приоритет американской патентной заявки № 62/047423, зарегистрированной 8 сентября 2014 г., которая включена в настоящий документ посредством ссылки во всей ее полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Инертный анод электрически соединяется с электролитической ячейкой, так что стержень проводника соединяется с инертным анодом для того, чтобы подать ток от источника тока к инертному аноду, где инертный анод направляет ток в электролитическую ванну для того, чтобы произвести цветной металл (где ток выходит из ячейки через катод).
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0003] В целом настоящее раскрытие относится к инертному анодному устройству, включающему в себя штырь, где штырь проходит в тело анода до некоторого положения (например, на глубину полости в теле анода). Более конкретно, настоящее раскрытие относится к инертному анодному устройству, включающему в себя штырь, который обеспечивает электрическое и механическое соединение с телом анода, где штырь проходит в тело анода на некоторую часть полной длины тела анода и располагается внутри анода (например, в полости анода) таким образом, что во время работы анода (то есть в электролитической ячейке для производства цветного металла) штырь находится выше границы раздела «ванна-пар».
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, считается, что один или более вариантов осуществления соединения анода и штыря в настоящем раскрытии обеспечивают улучшенную коррозионную стойкость анодному штырю при измерении либо: (a) на штыре, внутри полости в теле анода, либо (b) в паровой зоне, где штырь проходит выше тела анода (то есть выше ванны и/или в огнеупорном пакете).
[0005] Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, считается, что когда штырь проходит ниже границы раздела «ванна-пар», штырь корродирует, что может влиять на эффективность и долговечность анодной сборки (например, ослаблять механическое соединение и/или увеличивать удельное сопротивление в электрическом соединении). В одном или более вариантах осуществления настоящего раскрытия высокопрочный материал (например, нержавеющая сталь, сплав никеля, медь, медные сплавы или комбинация перечисленного) проходит на достаточную длину в тело анода для того, чтобы обеспечить механическое соединение и электрическое соединение, и не проходит ниже границы раздела «ванна-пар», такого, что при такой конфигурации коррозия штыря уменьшается, предотвращается и/или устраняется.
[0006] Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, когда материал-заполнитель (например, медь, драгоценные металлы или их сплавы) используется в качестве штыря или располагается выше анода и вокруг штыря таким образом, что материал-заполнитель контактирует с паровым пространством (например, с областью выше границы раздела «ванна-пар»), материалы-заполнители подвергаются воздействию коррозионных газов в паровом пространстве и/или в огнеупорном теле.
[0007] В некоторых вариантах осуществления материал-заполнитель (например, удлиненный элемент, зернистый материал и/или оболочка) устанавливается между (1): штырем и телом анода и/или (2) ниже нижнего конца штыря, в положении ниже границы раздела «ванна-пар». Неограничивающие примеры материалов-заполнителей включают в себя: медь, драгоценные металлы и/или их сплавы. С помощью таких вариантов осуществления штырь конструируется так, чтобы противостоять коррозии, в то время как материал-заполнитель (например, установленный вокруг и/или ниже штыря) способствует и выполнен с возможностью способствовать эффективной передаче тока через длину тела анода и из анода в окружающую ванну электролита.
[0008] В одном аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, в котором боковая стенка выполнена с возможностью окружать по периметру имеющуюся в нем полость, имеющую верхнее отверстие в вершине тела анода, и выполненную с осевым прохождением в тело анода; а также штырь, имеющий первый конец, соединенный с источником тока, и второй конец, противоположный первому концу, причем второй конец выполнен с возможностью проходить вниз в полость через верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении внутри полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода.
[0009] В некоторых вариантах осуществления тело анода содержит керамический материал, металлический материал, керметный материал, а также их комбинации.
[0010] В некоторых вариантах осуществления тело анода имеет овальную форму, цилиндрическую форму, прямоугольную форму, квадратную форму, пластинчатую форму (обычно плоскую), или другие геометрические формы (например треугольную, пятиугольную, шестиугольную и т.п.).
[0011] В некоторых вариантах осуществления штырь непосредственно связывается с телом анода.
[0012] В некоторых вариантах осуществления первый конец штыря выполнен с возможностью входить в/удерживаться внутри огнеупорного материала (например, детали анодной сборки).
[0013] В некоторых вариантах осуществления длина штыря является достаточной (достаточно длинной) для того, чтобы обеспечить механическую поддержку телу анода, а также достаточной (достаточно короткой) для того, чтобы предотвратить коррозию на штыре внутри полости (то есть для того, чтобы штырь помещался выше границы раздела «ванна-пар»).
[0014] В другом аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, выполненную с возможностью окружать по периметру имеющуюся в нем полость, имеющую верхнее отверстие в вершине тела анода, и выполненную с осевым прохождением в тело анода; штырь, имеющий первый конец, соединенный с источником тока, и второй конец, противоположный первому концу, причем второй конец выполнен с возможностью проходить вниз в полость через верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении внутри полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода; а также заполнитель, удерживаемый в полости между внутренней поверхностью тела анода и штырем, причем этот заполнитель выполнен с возможностью поддерживать электрическое соединение между штырем и телом анода.
[0015] В некоторых вариантах осуществления штырь выполнен с возможностью обеспечения (a) подвода тока к телу анода и (b) механической поддержки тела анода.
[0016] В некоторых вариантах осуществления стержень/элемент имеет те же самые размеры, что и штырь. В некоторых вариантах осуществления этот элемент имеет размеры, отличающиеся от размеров штыря (большее поперечное сечение, меньшее поперечное сечение, изменяющееся или сужающееся поперечное сечение).
[0017] В некоторых вариантах осуществления этот элемент совпадает со вторым концом штыря.
[0018] В некоторых вариантах осуществления этот элемент проходит вверх вокруг штыря внутри полости (например, как единая оболочка и элемент).
[0019] В некоторых вариантах осуществления поперечное сечение штыря имеет круглую форму, овальную форму, квадратную форму, прямоугольную форму, пятиугольную форму, шестиугольную форму, а также их комбинации.
[0020] В другом аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, содержащее по меньшей мере одну боковую стенку, ограничивающую внутреннюю полость, имеющую верхнее отверстие сверху тела анода; штырь, выполненный с возможностью проходить вниз в верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении в полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода, проводящий элемент, выполненный с возможностью присоединяться к штырю и совпадать с частью второго конца штыря, причем этот проводящий элемент выполнен с возможностью проходить вниз в полость до положения ниже границы раздела «ванна-пар», причем этот проводящий элемент содержит устойчивый к ванне материал; а также проводящий зернистый материал, удерживаемый в полости и выполненный с возможностью поддержания электрического соединения между штырем, проводящим элементом и телом анода.
[0021] В некоторых вариантах осуществления перекрытие между штырем и проводящим элементом составляет не более чем 155 мм (например, полное перекрытие штыря с телом анода). В некоторых вариантах осуществления проводящий элемент имеет по меньшей мере некоторое перекрытие со штырем. В некоторых вариантах осуществления проводящий элемент имеет существенное (например, более чем 50%-ое перекрытие со штырем, относящееся к той части штыря, которая удерживается внутри тела анода.
[0022] В другом аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, содержащее по меньшей мере одну боковую стенку, ограничивающую внутреннюю полость, имеющую верхнее отверстие сверху тела анода; штырь, выполненный с возможностью проходить вниз в верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении в полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода, проводящий элемент, выполненный с возможностью присоединяться к штырю и проходить вниз в полость до положения ниже границы раздела «ванна-пар», причем этот проводящий элемент содержит устойчивый к ванне материал; а также проводящий зернистый материал, удерживаемый в полости и выполненный с возможностью поддержания электрического соединения между штырем, проводящим элементом и телом анода.
[0023] В некоторых вариантах осуществления механизм присоединения содержит комбинацию одного или более вышеупомянутых способов присоединения.
[0024] В другом аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, содержащее по меньшей мере одну боковую стенку, ограничивающую внутреннюю полость, имеющую верхнее отверстие сверху тела анода; штырь, выполненный с возможностью проходить вниз в верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении в полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода, оболочку, выполненную с возможностью окружать штырь, причем эта оболочка выполнена с возможностью проходить вдоль той части штыря, которая находится внутри полости тела анода; а также проводящий зернистый материал, выполненный с возможностью его удержания в полости между штырем и оболочкой для того, чтобы поддерживать электрическое соединение между штырем, оболочкой и телом анода.
[0025] В другом аспекте настоящего раскрытия предлагается устройство, содержащее: тело анода, содержащее по меньшей мере одну боковую стенку, ограничивающую внутреннюю полость, имеющую верхнее отверстие сверху тела анода; штырь, выполненный с возможностью проходить вниз в верхнее отверстие тела анода и заканчиваться в таком положении в полости, которое находится выше границы раздела «ванна-пар» тела анода, элемент (например устойчивый к ванне элемент), выполненный с возможностью соединяться со штырем и проходить вниз в полость до положения ниже границы раздела «ванна-пар»; оболочку, выполненную с возможностью окружать штырь, причем эта оболочка выполнена с возможностью проходить вдоль части штыря, а также проводящий зернистый материал, выполненный с возможностью его удержания в полости между штырем, оболочкой и элементом для того, чтобы поддерживать электрическое соединение между штырем, оболочкой, элементом и телом анода.
[0026] В некоторых вариантах осуществления эта оболочка находится внутри полости тела анода (например, не проходит выше верха тела анода).
[0027] В некоторых вариантах осуществления эта оболочка проходит выше поверхности тела анода до нижней поверхности огнеупорного материала (который, например, содержит внутри себя первый конец штыря).
[0028] В некоторых вариантах осуществления оболочка проходит вверх в огнеупор.
[0029] В некоторых вариантах осуществления оболочка выполнена с возможностью ее перекрытия по меньшей мере с частью проводящего элемента.
[0030] Используемый в настоящем документе термин «анод» означает положительный электрод (или контакт), посредством которого ток входит в электролитическую ячейку. В некоторых вариантах осуществления аноды делаются из электропроводящих материалов. Некоторые неограничивающие примеры анодных материалов включают в себя: металлы, металлические сплавы, оксиды металлов, керамику, керметы, а также их комбинации.
[0031] Используемый в настоящем документе термин «анодная сборка» включает в себя один или более анодов, соединенных с основанием. В некоторых вариантах осуществления анодная сборка включает в себя: аноды, анодные штыри, материалы-заполнители (иногда называемые материалами соединения анода и штыря), основание (например, огнеупорный кирпич и другие стойкие к ванне материалы), а также электрические шины.
[0032] Используемый в настоящем документе термин «основание» означает элемент, который поддерживает другой объект (объекты) на месте. В некоторых вариантах осуществления основание представляет собой структуру, которая удерживает анод (аноды) на месте. В одном варианте осуществления основание облегчает электрическое соединение электрической шины с анодом (анодами). В одном варианте осуществления основание делается из такого материала, который является стойким к воздействию коррозионной ванны. Например, основание делается из изолирующего материала, включая, например, огнеупорный материал. В некоторых вариантах осуществления множество анодов соединяются (например, механически и электрически) с основанием (например, соединяются съемным образом), которое является регулируемым и может подниматься, опускаться или иным образом перемещаться в ячейке.
[0033] Используемый в настоящем документе термин «электрическая шина» относится к электрическим соединителям одного или более компонентов. Например, анод, катод и/или другие компоненты ячейки могут иметь электрическую шину для соединения этих компонентов вместе. В некоторых вариантах осуществления электрическая шина включает в себя соединители штыря в анодах, провода для соединения анодов и/или катодов, электрические схемы для (или между) различных компонентов ячейки, а также комбинации вышеперечисленного.
[0034] Используемый в настоящем документе термин «тело анода» означает физическую структуру анода (например, включающую в себя верх, низ и боковую стенку (стенки)).
[0035] Используемый в настоящем документе термин «боковая стенка» означает поверхность, которая формирует стенку объекта.
[0036] Используемый в настоящем документе термин «окружающий по периметру» означает «окружающий внешний край поверхности». В качестве одного неограничивающего примера, окружение по периметру включает в себя различные геометрии (например, концентрическое окружение, очерчивание) и т.п.
[0037] Используемый в настоящем документе термин «ванна электролита» (иногда также взаимозаменяемо упоминаемая как ванна) относится к жидкой ванне, имеющей по меньшей мере одну разновидность металла, подлежащего восстановлению (например, посредством процесса электролиза). Один неограничивающий пример состава электролитической ванны (в алюминиевой электролитической ячейке) включает в себя: NaF-AlF3, NaF, AlF3, CF2, MgF2, LiF, KF, а также их комбинации - с растворенной окисью алюминия.
[0038] Используемый в настоящем документе термин «расплавленный» означает «находящийся в текучей форме» (например, жидкой) посредством применения тепла. В качестве одного неограничивающего примера, электролитическая ванна находится в расплавленной форме (например, при температуре по меньшей мере приблизительно 750°C). В качестве другого примера, металлический продукт, который образуется на дне ячейки (например, иногда называемый «металлической подушкой»), находится в расплавленной форме.
[0039] В некоторых вариантах осуществления рабочая температура ванны/ячейки с расплавленным электролитом составляет по меньшей мере приблизительно 750°C; по меньшей мере приблизительно 800°C; по меньшей мере приблизительно 850°C; по меньшей мере приблизительно 900°C; по меньшей мере приблизительно 950°C; или по меньшей мере приблизительно 975°C. В некоторых вариантах осуществления рабочая температура ванны/ячейки с расплавленным электролитом составляет не более чем приблизительно 750°C; не более чем приблизительно 800°C; не более чем приблизительно 850°C; не более чем приблизительно 900°C; не более чем приблизительно 950°C; или не более чем приблизительно 975°C.
[0040] Используемый в настоящем документе термин «пар» означает вещество, которое находится в форме газа. В некоторых вариантах осуществления пар содержит окружающий газ, смешанный с каустической содой и/или коррозионным выхлопом от процесса электролиза.
[0041] Используемый в настоящем документе термин «паровое пространство» относится к пространству над электролитической ячейкой, выше поверхности ванны электролита.
[0042] Используемый в настоящем документе термин «граница раздела» относится к поверхности, рассматриваемой как общая граница двух тел, пространств или фаз.
[0043] Используемый в настоящем документе термин «граница раздела «ванна-пар»» относится к поверхности ванны, которая является границей двух фаз, парового пространства и жидкой (расплавленной) ванны электролита.
[0044] Используемый в настоящем документе термин «металлический продукт» означает продукт, который производится путем электролиза. В одном варианте осуществления металлический продукт образуется на дне электролитической ячейки как металлическая подушка. Некоторые неограничивающие примеры металлических продуктов включают в себя: алюминий, никель, магний, медь, цинк, а также редкоземельные металлы.
[0045] Используемый в настоящем документе термин «по меньшей мере» означает «больше или равно».
[0046] Используемый в настоящем документе термин «полость» означает глухое отверстие в каком-либо объекте.
[0047] Используемый в настоящем документе термин «штырь» означает часть материала, используемую для соединения вещей вместе. В некоторых вариантах осуществления штырь представляет собой электропроводящий материал. В некоторых вариантах осуществления штырь выполнен с возможностью электрического соединения тела анода с электрической шиной для подачи тока к электролитической ячейке (посредством анода). В некоторых вариантах осуществления штырь выполнен с возможностью структурной поддержки тела анода, когда оно присоединено и подвешено на штыре. В некоторых вариантах осуществления штырь делается из нержавеющей стали, никеля, сплава никеля, инконеля, меди, медного сплава или защищенной от коррозии стали. В некоторых вариантах осуществления штырь выполнен с возможностью проходить в тело анода (например в полость) на некоторую глубину для того, чтобы обеспечить механическую поддержку и электрическое соединение с телом анода, но положение штыря не проходит вниз ниже границы раздела «ванна-пар». В некоторых вариантах осуществления штырь выполнен с возможностью перекрытия с телом анода.
[0048] В некоторых вариантах осуществления перекрытие штыря с телом анода составляет по меньшей мере 25 мм; по меньшей мере 30 мм; по меньшей мере 35 мм; по меньшей мере 40 мм; по меньшей мере 45 мм; по меньшей мере 50 мм; по меньшей мере 55 мм; по меньшей мере 60 мм; по меньшей мере 65 мм; по меньшей мере 70 мм; по меньшей мере 75 мм; по меньшей мере 80 мм; по меньшей мере 85 мм; по меньшей мере 90 мм; по меньшей мере 95 мм; по меньшей мере 100 мм; по меньшей мере 105 мм; по меньшей мере 110 мм; по меньшей мере 115 мм; по меньшей мере 120 мм; по меньшей мере 125 мм; по меньшей мере 130 мм; по меньшей мере 135 мм; по меньшей мере 140 мм; по меньшей мере 145 мм; по меньшей мере 150 мм; или по меньшей мере 155 мм.
[0049] В некоторых вариантах осуществления перекрытие штыря с телом анода составляет не более чем 25 мм; не более чем 30 мм; не более чем 35 мм; не более чем 40 мм; не более чем 45 мм; не более чем 50 мм; не более чем 55 мм; не более чем 60 мм; не более чем 65 мм; не более чем 70 мм; не более чем 75 мм; не более чем 80 мм; не более чем 85 мм; не более чем 90 мм; не более чем 95 мм; не более чем 100 мм; не более чем 105 мм; не более чем 110 мм; не более чем 115 мм; не более чем 120 мм; не более чем 125 мм; не более чем 130 мм; не более чем 135 мм; не более чем 140 мм; не более чем 145 мм; не более чем 150 мм; или не более чем 155 мм.
[0050] Используемый в настоящем документе термин «соединять» означает соединять две или более вещей вместе. В некоторых вариантах осуществления штырь соединяется с телом анода. В некоторых вариантах осуществления штырь механически соединяется с телом анода с помощью крепежной детали (деталей), винта (винтов), резьбовой конфигурации (например, на штыре), взаимно соответствующей резьбовой конфигурации (например, на внутренней поверхности полости в теле анода и на штыре), и т.п. В некоторых вариантах осуществления штырь соединяется с телом анода посредством сварки (например, электросварки или других типов сварки). В некоторых вариантах осуществления штырь соединяется с телом анода посредством прямого спекания (то есть непосредственного спекания тела анода со штырем).
[0051] В некоторых вариантах осуществления штырь представляет собой композит, имеющий верхнюю часть, выполненную с возможностью заканчиваться выше границы раздела «ванна-пар», причем верхний конец выбирается из группы, состоящей из нержавеющей стали, стали, никеля, никелевых сплавов, меди, медных сплавов, а также комбинаций вышеперечисленного. В некоторых вариантах верхняя часть выполнена с возможностью: (1) присоединять тело анода к структурному основанию, и (2) электрически сообщаться с электрической шиной и телом анода для того, чтобы направлять электрический ток от электрической шины через штырь к телу анода (например, в ванну электролита, удерживаемую в электролитической ячейке). В некоторых вариантах осуществления штырь содержит нижнюю часть, выбираемую из группы, состоящей из Cu, Pt, Pd и их соответствующих сплавов, а также комбинаций вышеперечисленного. В некоторых вариантах осуществления нижняя часть выполнена с возможностью начинаться/проходить от по меньшей мере нижнего конца верхней части и проходить ниже границы раздела «ванна-пар» (например, проходить на всю длину штыря в теле анода, частично совпадать со штырем, или начинаться на нижнем конце штыря). В некоторых вариантах осуществления верхние и нижние части соединяются друг с другом и выполнены с возможностью обеспечивать электрическое соединение с телом анода (например, направлять ток через тело анода и к телу анода).
[0052] Используемый в настоящем документе термин «электропроводящий материал» означает материал, обладающий способностью проводить электричество (или тепло) от одного места к другому.
[0053] Используемый в настоящем документе термин «заполнитель» означает материал, который заполняет пространство или пустоту между двумя другими объектами. В некоторых вариантах осуществления заполнитель выполнен с возможностью механически соединять тело анода со штырем. Неограничивающие примеры механических заполнителей (например, непроводящих заполнителей) включают в себя жидкий цементный раствор, литой огнеупор, цемент, а также комбинации вышеперечисленного. В некоторых вариантах осуществления заполнитель выполнен с возможностью электрически соединять штырь с телом анода. В некоторых вариантах осуществления неограничивающие примеры заполнителя включают в себя зернистый материал, оболочку, элемент, а также комбинации вышеперечисленного. Неограничивающие примеры электропроводящих материалов заполнителя включают в себя: медь, медные сплавы, драгоценные металлы (например, Pt, Pd, Ag, Au), а также комбинации вышеперечисленного.
[0054] Используемый в настоящем документе термин «зернистый материал» означает материал, состоящий из частиц. В некоторых вариантах осуществления зернистый материал является электропроводящим. В одном варианте осуществления зернистый материал представляет собой медную дробь. Другие неограничивающие примеры зернистых материалов включают в себя драгоценные металлы (например, платину, палладий, золото, серебро, а также комбинации вышеперечисленного). В качестве неограничивающих примеров зернистый материал включает в себя: металлическую пену (например пену из Cu), крупную или мелкую дробь (например, выполненную с возможностью входить в зазор между штырем и телом анода и/или в анодную полость), краску и/или порошок. Возможно также использование зернистых материалов других размеров и форм, при условии, что они заполняют пустоту между штырем и телом анода (или часть ниже штыря в полости тела анода) и обеспечивают электрическое соединение между телом анода и штырем для подачи тока к аноду.
[0055] Используемый в настоящем документе термин «элемента» означает твердый кусок материала, длина которого больше, чем его ширина. В некоторых вариантах осуществления элемент является электропроводящим. В некоторых вариантах осуществления элемент соединяется со штырем. В некоторых вариантах осуществления элемент выполнен с возможностью совпадать с частью (например, вторым концом) штыря и проходить вниз в полость до положения ниже границы раздела «ванна-пар». В некоторых вариантах осуществления элемент выполнен с возможностью соединяться со вторым концом штыря и проходить вниз в полость за границу раздела «ванна-пар». В некоторых вариантах осуществления элемент проходит по меньшей мере ниже границы раздела «ванна-пар» почти до дна отверстия/полости в теле анода. В одном варианте осуществления элемент состоит из меди. Другие неограничивающие примеры материалов элемента (иногда называемого проводящим бруском) включают в себя драгоценные металлы (например, платину, палладий, золото, серебро, а также комбинации вышеперечисленного). В одном варианте осуществления элемент выполнен с возможностью механически соединяться со штырем. В некоторых вариантах осуществления элемент выполнен с возможностью соединяться со штырем с помощью резьбового соединения. В некоторых вариантах осуществления элемент приваривается на штырь. В некоторых вариантах осуществления элемент напрессовывается на штырь. В некоторых вариантах осуществления элемент припаивается на штырь.
[0056] В некоторых вариантах осуществления перекрытие между штырем (например относящееся к той части штыря, которая удерживается в теле анода) и элементом (иногда называемым проводящим элементом) составляет не более чем 155 мм (например все перекрытие штыря с телом анода).
[0057] В некоторых вариантах осуществления перекрытие штыря (например, части штыря в теле анода) и проводящего элемента составляет по меньшей мере 25 мм; по меньшей мере 30 мм; по меньшей мере 35 мм; по меньшей мере 40 мм; по меньшей мере 45 мм; по меньшей мере 50 мм; по меньшей мере 55 мм; по меньшей мере 60 мм; по меньшей мере 65 мм; по меньшей мере 70 мм; по меньшей мере 75 мм; по меньшей мере 80 мм; по меньшей мере 85 мм; по меньшей мере 90 мм; по меньшей мере 95 мм; по меньшей мере 100 мм; по меньшей мере 105 мм; по меньшей мере 110 мм; по меньшей мере 115 мм; по меньшей мере 120 мм; по меньшей мере 125 мм; по меньшей мере 130 мм; по меньшей мере 135 мм; по меньшей мере 140 мм; по меньшей мере 145 мм; по меньшей мере 150 мм; или по меньшей мере 155 мм.
[0058] В некоторых вариантах осуществления перекрытие штыря (например, части штыря в теле анода) и проводящего элемента составляет не более чем 25 мм; не более чем 30 мм; не более чем 35 мм; не более чем 40 мм; не более чем 45 мм; не более чем 50 мм; не более чем 55 мм; не более чем 60 мм; не более чем 65 мм; не более чем 70 мм; не более чем 75 мм; не более чем 80 мм; не более чем 85 мм; не более чем 90 мм; не более чем 95 мм; не более чем 100 мм; не более чем 105 мм; не более чем 110 мм; не более чем 115 мм; не более чем 120 мм; не более чем 125 мм; не более чем 130 мм; не более чем 135 мм; не более чем 140 мм; не более чем 145 мм; не более чем 150 мм; или не более чем 155 мм.
[0059] Используемый в настоящем документе термин «оболочка» означает плотное покрытие поверх некоторого объекта.
[0060] В некоторых вариантах осуществления оболочка состоит из проводящего материала. В одном варианте осуществления проводящая оболочка состоит из меди. Другие неограничивающие примеры материалов оболочки включают в себя драгоценные металлы (например, платину, палладий, золото, серебро, их сплавы, сплавы меди, а также комбинации вышеперечисленного). В одном варианте осуществления проводящая оболочка покрывает по меньшей мере часть штыря.
[0061] В некоторых вариантах осуществления оболочка содержит непроводящий материал (например менее проводящий, чем штырь). В одном варианте осуществления непроводящая оболочка состоит из окиси алюминия. В одном варианте осуществления непроводящая оболочка покрывает по меньшей мере часть штыря.
[0062] В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину по меньшей мере 25 мкм; по меньшей мере 50 мкм; по меньшей мере 75 мкм; или по меньшей мере 100 мкм. В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину по меньшей мере 150 мкм, по меньшей мере 200 мкм, по меньшей мере 250 мкм, по меньшей мере 300 мкм, по меньшей мере 350 мкм, по меньшей мере 400 мкм, по меньшей мере 450 мкм, по меньшей мере 500 мкм, по меньшей мере 550 мкм, по меньшей мере 600 мкм; по меньшей мере 650 мкм по меньшей мере 700 мкм, по меньшей мере 750 мкм, по меньшей мере 800 мкм, по меньшей мере 850 мкм, по меньшей мере 900 мкм, или по меньшей мере 950 мкм. В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 1,5 мм, по меньшей мере 2 мм; по меньшей мере 2,5 мм; по меньшей мере 3 мм; по меньшей мере 3,5; по меньшей мере 4 мм; по меньшей мере 4,5 мм; по меньшей мере 5 мм; по меньшей мере 5,5 мм; по меньшей мере 6 мм; по меньшей мере 6,5 мм; по меньшей мере 7 мм; по меньшей мере 7,5 мм; по меньшей мере 8 мм; по меньшей мере 8,5 мм; по меньшей мере 9 мм; по меньшей мере 9,5 мм; по меньшей мере 10 мм; по меньшей мере 10,5 мм; по меньшей мере 11 мм; по меньшей мере 11,5 мм; 12 мм; по меньшей мере 12,5 мм; или по меньшей мере 13 мм.
[0063] В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину не более чем 25 мкм; не более чем 50 мкм; не более чем 75 мкм; или не более чем 100 мкм. В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину не более чем 150 мкм, не более чем 200 мкм, не более чем 250 мкм, не более чем 300 мкм, не более чем 350 мкм, не более чем 400 мкм, не более чем 450 мкм, не более чем 500 мкм, не более чем 550 мкм, не более чем 600 мкм; не более чем 650 мкм, не более чем 700 мкм, не более чем 750 мкм, не более чем 800 мкм, не более чем 850 мкм, не более чем 900 мкм, или не более чем 950 мкм. В некоторых вариантах осуществления оболочка имеет толщину не более чем 1 мм, не более чем 1,5 мм, не более чем 2 мм; не более чем 2,5 мм; не более чем 3 мм; не более чем 3,5; не более чем 4 мм; не более чем 4,5 мм; не более чем 5 мм; не более чем 5,5 мм; не более чем 6 мм; не более чем 6,5 мм; не более чем 7 мм; не более чем 7,5 мм; не более чем 8 мм; не более чем 8,5 мм; не более чем 9 мм; не более чем 9,5 мм; не более чем 10 мм; не более чем 10,5 мм; не более чем 11 мм; не более чем 11,5 мм; 12 мм; не более чем 12,5 мм; или не более чем 13 мм.
[0064] В некоторых вариантах осуществления оболочка соединяется со штырем посредством сварки. В некоторых вариантах осуществления оболочка механически соединяется со штырем посредством резьбового соединения (например, на внутренней поверхности оболочки и на внешней поверхности штыря нарезается резьба таким образом, чтобы они могли быть свинчены друг с другом). В некоторых вариантах осуществления оболочка припаивается на поверхность штыря. В некоторых вариантах осуществления оболочка обертывается вокруг штыря и закрепляется на штыре с помощью термоусадки. В некоторых вариантах осуществления оболочка наштамповывается в горячем виде на штырь.
[0065] Различные аспекты настоящего изобретения, перечисленные выше, могут быть скомбинированы для того, чтобы получить инертные анодные устройства, имеющие штырь, который обеспечивает механическое и электрическое соединение с телом анода, где штырь проходит вниз в полость тела анода и устанавливается таким образом, что нижний конец штыря располагается выше границы раздела «ванна-пар».
[0066] Эти и другие аспекты, преимущества и новые особенности настоящего изобретения частично формулируются в следующем описании, которое станет очевидным для специалиста в данной области техники после изучения этого описания и чертежей, или может быть изучено путем практической реализации настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0067] Фиг. 1 изображает схематический вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 1 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 напрямую присоединен к телу 30 анода (например, с помощью способа прямого спекания) и выполнен с возможностью проходить в тело 30 анода через полость 34 до такого положения, которое располагается выше границы 22 раздела «ванна-пар».
[0068] Фиг. 2 изображает схематический вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 2 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 присоединен к телу 30 анода с помощью материала-заполнителя 42 (например, зернистого материала и/или оболочки) между штырем 12 и полостью 34 тела 30 анода, где штырь 12 выполнен с возможностью проходить в тело 30 анода через полость 34 до такого положения, которое располагается выше границы 22 раздела «ванна-пар».
[0069] Фиг. 3 изображает схематический вид сбоку в разрезе еще одного варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 3 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 (который заканчивается в положении выше границы 22 раздела «ванна-пар») присоединен к телу 30 анода с помощью элемента 48, проходящего вниз от штыря 12 в полость 34 (ниже границы 22 раздела «ванна-пар»), и зернистого материала 44, располагающегося между: (a) штырем 12 и элементом 48 и (b) полостью 34 тела 30 анода. Фиг. 3 изображает область перекрытия между элементом 48 и вторым концом штыря 12.
[0070] Фиг. 4 изображает схематический вид сбоку в разрезе еще одного варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 4 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 (который заканчивается в положении выше границы 22 раздела «ванна-пар») присоединен к телу 30 анода с помощью элемента 48, проходящего вниз от штыря 12 в полость 34 (ниже границы 22 раздела «ванна-пар»), и зернистого материала 44, располагающегося между: (a) штырем 12 и элементом 48 и (b) полостью 34 тела 30 анода. Фиг. 4 изображает прямое присоединение второго конца штыря 12 к элементу 48 (то есть без перекрытия между штырем 12 и элементом 48).
[0071] Фиг. 5 изображает схематический вид сбоку в разрезе еще одного варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 5 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 (который заканчивается в положении выше границы 22 раздела «ванна-пар») присоединен к телу 30 анода с помощью оболочки 46, окружающей штырь 12, и зернистого материала 44, располагающегося между: (a) оболочкой 46 и (b) полостью 34 тела 30 анода.
[0072] Фиг. 6 изображает схематический вид сбоку в разрезе еще одного варианта осуществления инертного анодного устройства в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 6 изображает один вариант осуществления инертного анодного устройства, в котором штырь 12 заключен в оболочку 46, где штырь 12 заканчивается в положении выше границы 22 раздела «ванна-пар». Штырь 12 присоединен к элементу 48, который проходит вниз от штыря 12 в полость 34 до положения, находящегося ниже границы 22 раздела «ванна-пар». Зернистый материал 44 проходит между: (a) оболочкой 46 и элементом 48 и (b) полостью 34 тела 30 анода.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0073] Далее будут подробно описаны реальные и теоретические примеры, которые (в комбинации с сопроводительными чертежами и их предыдущими описаниями) по меньшей мере частично помогают проиллюстрировать различные подходящие варианты осуществления настоящего изобретения.
Зависимость коррозии от длины штыря (соотношения частей выше и ниже границы раздела «ванна-пар»)
[0074] Эксперимент был выполнен для того, чтобы оценить коррозию (a) штыря, который проходит через границу раздела «ванна-пар» до положения ниже поверхности ванны, по сравнению с (b) штырем в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего раскрытия, то есть штырем, который проходит в тело анода, но заканчивается в положении выше границы раздела «ванна-пар». В этом сравнительном эксперименте материалы тела анода, материалы штыря и материалы-заполнители (например, медная дробь) были идентичны, хотя структура анодного штыря различалась в том, что штырь в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия заканчивался внутри тела анода в положении выше границы раздела «ванна-пар», обеспечивая таким образом более короткий штырь в одном аноде по сравнению с другим анодом.
[0075] Оба анода эксплуатировались в ячейке в течение некоторого периода времени с ванной электролита при некоторой температуре для производства цветного первичного металла (например, алюминия). Затем оба анода были удалены из ячейки и вскрыты для того, чтобы оценить влияние длины штыря на коррозию штыря. После визуального наблюдения было подтверждено, что штырь для сборки (a), то есть штырь, который проходил ниже границы раздела «ванна-пар», корродировал гораздо сильнее, чем сборка (b), то есть штырь, который располагался в положении выше границы раздела «ванна-пар». Как было установлено, сборка (a) имела коррозию и направленное наружу разбухание анодного материала, в то время как в отличие от нее сборка (b) имела чистые границы между материалом-заполнителем (например, зернистой медью) и телом анода, а также между штырем и телом анода.
[0076] После визуального осмотра было установлено, что общий объем продукта коррозии внутри анодной сборки в сборке (a) был очень большим по сравнению с относительно ненаблюдаемым продуктом коррозии в сборке (b). Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, коррозия на штыре, который проходит ниже границы раздела «ванна-пар», предположительно происходит от воздействия фторида на штырь, которое происходит ниже границы раздела «ванна-пар» в ванне. Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, считается, что этот продукт коррозии приписывается штырю, установленному ниже границы раздела «ванна-пар», где нарастание продукта коррозии, как полагают, заставляет тело анода вспучиваться наружу (что может приводить к растрескиванию). Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, считается, что за счет избегания образования продуктов коррозии с помощью штыря типа сборки (b) образование и рост продуктов коррозии могут быть предотвращены, что будет способствовать стабильности анода в ванне во время производства металла.
Производство анода:
[0077] Неограничивающие примеры производства тела анода включают в себя: спекание под давлением, литье со сплавлением и литье, что раскрывается в соответствующем американском патенте № 7235161, содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте. Когда тело анода сформировано, штырь и материалы-заполнители, если они используются, включаются в тело анода. Например, если используется оболочка, она присоединяется к штырю до того, как комбинация штырь/оболочка будет вставлена в тело анода. Например, если используется заполнитель (например проводящий заполнитель), штырь помещается в полости тела анода, и заполнитель (например в форме зернистого материала) вставляется в пустоту между штырем и внутренней поверхностью полости в теле анода. Например, если используется элемент (например удлиненный элемент, стержень), он присоединяется к штырю до того, как штырь и элемент будут вставлены в полость тела анода. Например, если используется непроводящий материал-заполнитель (например для того, чтобы обеспечить механическое соединение и/или герметизацию штыря и/или материала-заполнителя в полости в теле анода), непроводящий материал-заполнитель добавляется к верхнему концу тела анода. В некоторых вариантах осуществления непроводящий заполнитель выполнен с возможностью по меньшей мере частично проходить в полость в теле анода. В некоторых вариантах осуществления непроводящий материал-заполнитель выполнен с возможностью помещаться сверху тела анода, вблизи от верхнего конца полости, и окружать штырь в том месте, где он выходит вверх из тела анода.
ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Анодная сборка 10
Штырь 12
Первый конец 14
Второй конец 16
Огнеупорный материал 18
Источник тока 20
Граница раздела «ванна-пар» 22
Паровое пространство 24
Ванна 26
Тело анода 30
Верхнее отверстие 32
Полость 34
Верхний конец 36
Нижний конец 38
Боковая стенка анода 40
Перекрытие штыря и анода (например, в процентах от полной длины анода)
Заполнитель 42
Зернистый материал 44
Оболочка 46
Элемент 48 (например, стержень)
[0078] В то время как различные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны подробно, очевидно, что модификации и адаптации этих вариантов осуществления будут делаться специалистами в данной области техники. Однако следует ясно понимать, что такие модификации и адаптации не выходят за рамки сущности и области охвата настоящего изобретения.
1. Электролизер для получения алюминия электролизом в расплаве электролита с инертным анодом, содержащим
тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, полость, выполненную внутри тела анода вдоль его оси и имеющую верхнее отверстие сверху тела анода, при этом боковая стенка анода окружает полость по ее периметру,
штырь, имеющий первый конец, соединенный с источником тока, и второй конец, противоположный первому концу, причем второй конец проходит вниз в полость в теле анода через его верхнее отверстие до позиции, расположенной выше границы раздела расплав электролита - газ в электролизере,
оболочку, полностью окружающую второй конец штыря внутри полости и проходящую из полости к первому концу для окружения части штыря, находящейся выше полости,
элемент, проходящий от второго конца штыря через границу раздела расплав электролита - газ в электролизере, и
заполнитель, удерживаемый в полости между внутренней поверхностью тела анода и штырем и предназначенный для поддержания электрического соединения между штырем и телом анода.
2. Электролизер по п.1, в котором штырь выполнен с возможностью обеспечения (a) подвода тока к телу анода и (b) механической поддержки тела анода.
3. Электролизер по п.1, в котором элемент выполнен с размерами, совпадающими с размерами штыря.
4. Электролизер по п.1, в котором элемент имеет размеры, отличающиеся от размеров штыря.
5. Электролизер по п.1, в котором элемент выполнен с возможностью совпадения со вторым концом штыря.
6. Электролизер по п. 1, в котором элемент проходит вокруг штыря внутри полости.
7. Электролизер по п.1, в котором штырь выполнен с поперечным сечением в форме круга, овала, квадрата, прямоугольника, пятиугольника, шестиугольника и их комбинаций.
8. Электролизер по п.1, в котором штырь выполнен из материала, выбранного из группы, включающей нержавеющую сталь, никель, сплав никеля, сплав Инконель, медь, медный сплав или защищенную от коррозии сталь.
9. Электролизер по п.1, в котором оболочка выполнена из проводящего материала, выбранного из группы, состоящей из платины, палладия, золота, серебра и меди.
10. Электролизер по п.1, в котором оболочка выполнена из окиси алюминия.
11. Электролизер по п.1, в котором элемент выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из меди, платины, палладия, золота и серебра.
12. Электролизер по п.1, в котором материал-заполнитель представляет собой жидкий цементный раствор, литой огнеупор, цемент, медь, медный сплав, платину, палладий, золото или серебро.
13. Электролизер для получения алюминия электролизом в расплаве электролита с инертным анодом, содержащим
тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, полость, выполненную внутри тела анода вдоль его оси и имеющую верхнее отверстие сверху тела анода, при этом боковая стенка анода окружает полость по ее периметру,
штырь, проходящий вниз в полость в теле анода через его верхнее отверстие до позиции, расположенной выше границы раздела расплав электролита - газ в электролизере, и выполненный из материала, выбранного из группы, включающей нержавеющую сталь, никель, сплав никеля, сплав Инконель, медь, медный сплав или защищенную от коррозии сталь,
оболочку, полностью окружающую штырь внутри полости и проходящую из полости выше верхнего отверстия тела анода для окружения части штыря выше верхнего отверстия, причем оболочка выполнена из проводящего материала, выбранного из группы, включающей платину, палладий, золото, серебро и медь,
проводящий элемент, выполненный с возможностью соединения со штырем и совпадения с частью второго конца штыря, причем проводящий элемент выполнен проходящим вниз в полость до позиции ниже границы раздела расплав электролита - газ в электролизере и содержит стойкий к ванне расплава электролита материал и проводящий зернистый материал, удерживаемый в полости и предназначенный для поддержания электрического соединения между штырем, проводящим элементом и телом анода.
14. Электролизер по п.13, в котором зернистый материал представляет собой медную дробь, платину, палладий, золото, серебро, медь или комбинации платины, палладия, золота, серебра и меди.
15. Электролизер по п.13, в котором совпадение между штырем и проводящим элементом составляет не более чем 155 мм.
16. Электролизер для получения алюминия электролизом в расплаве электролита с инертным анодом, содержащим
тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, полость, выполненную внутри тела анода вдоль его оси и имеющую верхнее отверстие сверху тела анода, при этом боковая стенка анода окружает полость по ее периметру,
штырь, проходящий вниз в полость в теле анода через его верхнее отверстие до позиции, расположенной выше границы раздела расплав электролита - газ в электролизере, и выполненный из материала, выбранного из группы, включающей нержавеющую сталь, никель, сплав никеля, сплав Инконель, медь, медный сплав или защищенную от коррозии сталь,
оболочку, полностью окружающую штырь внутри полости и проходящую из полости для окружения части штыря выше верхнего отверстия, причем оболочка выполнена из окиси алюминия;
проводящий элемент, выполненный с возможностью соединения со штырем, проходящий вниз в полость до позиции ниже границы раздела расплав электролита - газ в электролизере, причем проводящий элемент содержит стойкий к ванне расплава электролита материал и проводящий зернистый материал, выполненный с возможностью удерживания в полости между штырем и оболочкой для обеспечения электрического соединения между штырем, оболочкой и телом анода, причем проводящий зернистый материал представляет собой медную дробь, платину, палладий, золото, серебро, медь или комбинации платины, палладия, золота, серебра и меди.
17. Электролизер для получения алюминия электролизом в расплаве электролита с инертным анодом, содержащим
тело анода, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, полость, выполненную внутри тела анода вдоль его оси и имеющую верхнее отверстие сверху тела анода, при этом боковая стенка анода окружает полость по ее периметру,
штырь, проходящий вниз в полость в теле анода через его верхнее отверстие до позиции, расположенной выше границы раздела расплав электролита - газ в электролизере, причем штырь изготовлен из нержавеющей стали или сплава Инконель,
элемент, выполненный с возможностью соединения со штырем и проходящий вниз в полость до позиции ниже границы раздела расплав электролита - газ в электролизере,
оболочку, выполненную с возможностью окружения штыря, причем оболочка проходит вдоль части штыря и выполнена из окиси алюминия, и
проводящий зернистый материал, выполненный с возможностью удерживания в полости между штырем, оболочкой и элементом и обеспечения электрического соединения между штырем, оболочкой, элементом и телом анода, причем проводящий зернистый материал представляет собой медную дробь.
18. Электролизер по п.17, в котором оболочка находится внутри полости тела анода.
19. Электролизер по п.17, в котором оболочка проходит вверх выше поверхности тела анода до нижней поверхности огнеупорного материала.
20. Электролизер по п.17, в котором оболочка проходит вверх в огнеупор.
