Системы и способы электролитического получения алюминия
Изобретение относится к алюминиевым электролизерам. Катодный комплект для электролизера содержит катодную конструкцию, выполненную с возможностью установки вдоль настила электролизера, содержащую опорный элемент, имеющий первую стенку и противоположную ей вторую стенку, и по меньшей мере две катодные плиты, прикрепленные к упомянутому опорному элементу, при этом первая катодная плита прикреплена к первой стенке опорного элемента, а вторая катодная плита прикреплена ко второй стенке опорного элемента, причем по меньшей мере две катодные плиты выполнены с возможностью их по меньшей мере частичного погружения в ванну расплавленного электролита, при этом катодная конструкция имеет наклонную поверхность по сравнению с горизонтальной плоскостью, выполненную с возможностью стекания металлического продукта с наклонной поверхности к углеродному настилу электролизера, а электролизер выполнен с возможностью получения металла на поверхности катодной конструкции. Изобретение направлено на создание конструкции электролизера, позволяющей получать расплавленный алюминий на поверхности катодной конструкции в сочетании со стеканием его самотеком в зону сбора. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 14 ил.
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ФИНАНСИРОВАНИЯ ПРАВИТЕЛЬСТВОМ США
[0001] Данное изобретение было по меньшей мере отчасти создано при исполнении контракта № DE AR0000406, выданного Министерством энергетики США. Правительство США имеет определенные права на данное изобретение.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0002] Эта заявка притязает на преимущества приоритета по предварительной заявке на патент США 62/479,905, поданной 31 марта 2017, которая полностью включена в данный документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В общем, настоящее раскрытие направлено на различные варианты осуществления электролизера, имеющего катоды, выполненные с возможностью стекания алюминия самотеком. Более конкретно, настоящее раскрытие направлено на использование новых катодных конструкций (например, катодов, выполненных с возможностью стекания алюминия самотеком) в электролизере для обеспечения возможности получения расплавленного алюминия на поверхности катодных конструкций в сочетании со стеканием расплавленного алюминия в зону сбора для сбора.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В промышленных алюминиевых электролизерах в качестве катодов используются углеродные блоки и слой расплавленного металла алюминия – в качестве собственно катода (расположенный над углеродным блоком на дне электролизера). Расплавленный алюминий получают на границе раздела между электролитом и слоем расплавленного алюминия в двумерной (“2D”) конфигурации, что приводит к низкой производительности по металлу и требует занимающего большую площадь оборудования. Волны в слое жидкого металла (катодно–поляризованном за счет контакта с катодом), вызываемые нестабильностью магнитного поля, создаваемого чрезмерно большим током, препятствуют работе электролизера при малом межполюсном расстоянии. При сочетании большого межполюсного расстояния с высоким электрическим сопротивлением расплавленного электролита падение напряжения между анодами и катодами является большим и, следовательно, приводит к высокому энергопотреблению электролизера.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В некоторых вариантах осуществления устройство включает в себя: катодную конструкцию, расположенную в электролизере, при этом электролизер выполнен с возможностью получения металла на поверхности катодной конструкции (металл также получается на поверхности настила электролизера), при этом катодная конструкция выполнена с возможностью установки вдоль настила электролизера, при этом катодная конструкция имеет наклонную поверхность по сравнению с в целом горизонтальной плоскостью, при этом посредством наклонной поверхности катодная конструкция выполнена с возможностью стекания металлического продукта с наклонной поверхности к нижнему концу катодной конструкции, и при этом нижний конец катодной конструкции соединяется с настилом электролизера.
[0006] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция имеет треугольную геометрическую форму.
[0007] В некоторых вариантах осуществления наклонная поверхность катодной конструкции имеет угол наклона стенки от 15 градусов до не более 89 градусов.
[0008] В некоторых вариантах осуществления высота катодной конструкции составляет от 5% до 95% от высоты ванны расплава в электролизере.
[0009] В некоторых вариантах осуществления верхний конец катодной конструкции является углообразным.
[00010] В некоторых вариантах осуществления верхний конец катодной конструкции имеет дугообразный край.
[00011] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция представляет собой монолитную деталь (например, керамическую или композитную), прикрепленную к настилу электролизера.
[00012] В некоторых вариантах осуществления нижний конец монолитной детали содержит устройство механического крепления, выполненное с возможностью обеспечения механического крепления монолитной детали к настилу электролизера.
[00013] В некоторых вариантах осуществления нижний конец монолитной детали содержит адгезив, выполненный с возможностью обеспечения механического крепления монолитной детали к настилу электролизера.
[00014] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция содержит по меньшей мере две катодные плиты, прикрепленные к опорному элементу, при этом катодные плиты, а не опорный элемент, находятся в контакте с ванной расплавленного электролита.
[00015] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция содержит по меньшей мере две катодные плиты, механически прикрепленные к настилу электролизера, при этом упомянутые по меньшей мере две катодные плиты и подина электролизера ограничивают пустое пространство.
[00016] В некоторых вариантах осуществления катодный комплект содержит множество катодных конструкций, конфигурированных с в целом параллельной, разнесенной конфигурацией вдоль настила электролизера.
[00017] В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции выполнены в виде части углеродных блоков вдоль настила электролизера, со смачиваемым алюминием покрытием, покрывающим углеродистый материал.
[00018] В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции выполнены в виде не смачиваемых алюминием компонентов вдоль настила электролизера, при этом не смачиваемые алюминием компоненты покрывает смачиваемое алюминием покрытие.
[00019] В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции содержат множество плиток, приклеенных в заданном месте поверх углеродного блока адгезивом так, что адгезив и плитки взаимодействуют в углу катодной стенки в виде катодной поверхности со стоком металла.
[00020] В некоторых вариантах осуществления полученный на катодной конструкции металл течет к настилу электролизера, при этом настил имеет катодный угол стока.
[00021] В некоторых вариантах осуществления зона сбора расположена смежно с катодной зоной в электролизере, при этом катодный угол стока выполнен с возможностью направления металлического продукта к зоне сбора.
[00022] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока составляет от 0 градусов до 15 градусов.
[00023] В некоторых вариантах осуществления устройство включает в себя: катодный комплект, содержащий катодную конструкцию, электрически выполненную в алюминиевом электролизере с возможностью участия в электролитическом получении металла, при этом металл получается на поверхности катодной конструкции, при этом катодная конструкция выполнена с возможностью установки вдоль настила алюминиевого электролизера, при этом катодная конструкция дополнительно имеет угол катодной стенки с наклонной конфигурацией по сравнению с в целом горизонтальной плоскостью, при этом посредством угла катодной стенки катодная конструкция выполнена с возможностью стекания металлического продукта с ее поверхности к настилу электролизера, и при этом катодная конструкция дополнительно выполнена с катодным углом стока вдоль настила электролизера, так что металлический продукт, стекший посредством угла катодной стенки, далее направляется вдоль настила электролизера посредством катодного угла стока в зону сбора, расположенную смежно с катодной зоной в электролизере.
[00024] В некоторых вариантах осуществления зона сбора расположена вдоль внутренней области катодного комплекта.
[00025] В некоторых вариантах осуществления зона сбора расположена в по меньшей мере одном месте из: вдоль по меньшей мере одной боковой стенки электролизера, вдоль по меньшей мере одной торцевой стенки электролизера.
[00026] В некоторых вариантах осуществления катодный комплект выполнен с горизонтальной частью между катодной конструкцией и зоной сбора.
[00027] В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит: анодный комплект, выполненный из множества анодов, при этом каждый анод представляет собой монолитный блок из углерода, имеющий анодный профиль, выполненный соответствующим углу катодной стенки катодного комплекта; при этом катодные конструкции катодного комплекта и аноды анодного комплекта разделены межполюсным расстоянием, заполненным расплавленным электролитом.
[00028] В некоторых вариантах осуществления межполюсное расстояние составляет от 1/4 дюйма до 2 дюймов.
[00029] В некоторых вариантах осуществления анодный профиль выполнен со скошенными краями.
[00030] В некоторых вариантах осуществления каждый анод дополнительно выполнен с по меньшей мере одним анодным пазом, выполненным вдоль нижнего конца анода, причем указанные пазы выполнены с возможностью направления пузырьков и/или захваченных газов от нижнего конца анода в ванну расплавленного электролита.
[00031] В некоторых вариантах осуществления способ включает: во время модернизации электролизера механическое прикрепление катодного комплекта к подине электролизера, причем этот катодный комплект выполнен с множеством катодных конструкций, изготовленных из смачиваемого алюминием материала, при этом каждая катодная конструкция имеет угол катодной стенки для содействия стеканию металлического продукта с верхней или средней части катодной конструкции к нижней части катодной конструкции; и после разогрева электролизера размещение анодного комплекта, содержащего множество анодов, при этом аноды выполнены со скошенным краем, в целом соответствующим углу катодной стенки, так что межполюсное расстояние является постоянным независимо от того, измерено ли оно между соответствующими в целом горизонтальными частями катодного комплекта и анодами или измерено между катодными конструкциями с углом катодной стенки и скошенным краем анодов.
[00032] В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает нагрев ванны солевого расплава, выполненной в электролизере; подачу сырьевого материала в электролизер, причем это сырье содержит соединение металла (например, глинозем), представляющего собой желаемый металлический продукт (например, металлический алюминий); и электролитическое получение металла в электролизере (например, преобразование соединения металла, которое содержит сырьевой материал, в металлический продукт посредством электролиза).
[00033] В некоторых вариантах осуществления один или более катодных комплектов устанавливают при модернизации в существующем электролизере для производства металла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00034] Эти и/или другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными и более понятными из нижеприведенного описания различных вариантов осуществления, рассматриваемого совместно с сопровождающими чертежами, на которых:
[00035] фигуры 1А-С показывают различные варианты осуществления катодной конструкции и соответствующих анодной конструкции/анодных профилей в соответствии с настоящим раскрытием. На фигуре 1А показан комплементарный анодный профиль в сравнении с катодной конструкцией (множеством катодных элементов, выполненных вдоль подины электролизера и/или катодного блока). Альтернативные варианты конфигурирования катодных элементов катодного комплекта упоминаются на фигуре 1А. Фигуры 1В и 1С показывают альтернативные варианты осуществления, при этом фиг.1В предусматривает угол стока на катодной конструкции, а фиг.1С - нет (несмотря на то, что обе фигуры имеют показанные сборную часть/приемник).
[00036] Фигуры 2А-В показывают результаты двух сравнительных примеров раскрытых вариантов осуществления в сравнении с обычными технологиями производства алюминия.
[00037] Фигура 2А приводит пример сравнения конкретного алюминиевого завода, оснащенного работающими по технологии Содерберга электролизерами, с модернизированными и новыми заводами с работающими по технологии Содерберга электролизерами, в которых используются описанные здесь конфигурации электролизеров с наклонным анодом и наклонным катодом.
[00038] Фигура 2В показывает пример сравнения конкретного алюминиевого завода, оснащенного электролизерами с предварительно обожженными анодами, с модернизированными и новыми заводами с электролизерами с предварительно обожженными анодами, в которых используются описанные здесь конфигурации с наклонными анодом и катодом.
[00039] Фигура 3 показывает один или более вариантов осуществления при эксплуатации, в случае их применения на существующей линии электролиза, в которой может быть модернизирован каждый электролизер, один за один, пока остальные электролизеры в линии остаются в эксплуатации по обычной технологии. При данной конфигурации, одна или более реализованных конфигураций могут быть внедрены электролизер за электролизером, при этом остальная часть линии остается в эксплуатации, для повышения эффективности, без полного преобразования (модернизации) всех электролизеров в линии одновременно (то есть это не потребует останова линии).
[00040] Как показано на фигуре 3, на частично преобразованной электролизной линии электролизеры, оборудованные обычными электролизными ваннами, также выполнены со вспомогательной линией/вспомогательной шиной, которая проложена к выпрямителю для решения проблемы различий в токе, которые имеются между усовершенствованными электролизными ваннами (с вариантами осуществления настоящего раскрытия) и обычными электролизными ваннами (которые работают без катодных конструкций по настоящему раскрытию).
[00041] Как показано на фигуре 3, один или более вариантов осуществления настоящего раскрытия создают гибкие возможности для модернизации технологии на существующей электролизной установке при минимальных капитальных вложениях для достижения максимальной производительности и улучшения финансовых показателей линии. Как показано на фигуре 3, новые электролизер/электролизная ванна с усовершенствованной технологией могут быть внедрены на существующей линии электролиза путем модернизации ванна за ванной или замены секции за секцией.
[00042] Фигура 4 показывает вид сбоку анода с анодным профилем, соответствующим профилю катода, дополнительно иллюстрируя скошенные/наклонные края анодного блока и анодный паз, который выполнен в самой нижней поверхности анода и проходит вверх в тело анода, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.
[00043] Фигура 5А показывает вариант осуществления катодной конструкции на виде с торца, показывая множество смачиваемых алюминием катодных плиток, выполненных вдоль поверхности торца катодного комплекта и выполненных (прикрепленных в заданном месте) адгезивом, содержащим смачиваемые алюминием добавку и/или огнеупорный компонент, в соответствии с настоящим раскрытием. Как показано на фигуре 5А, катодные плитки в целом проходят непрерывно от самой верхней части катодной конструкции до самого нижнего конца катодной конструкции (например, смежного с настилом электролизера), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00044] Фигура 5В показывает вид сбоку в разрезе катодной конструкции по фигуре 5А, показывающий катодные плитки, выполненные/прикрепленные адгезивом на поверхности опорного элемента, который закрыт под катодными плитками и адгезивом (содержится внутри них), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00045] Фигура 5С показывает вариант осуществления катодной конструкции на виде с торца, показывая множество смачиваемых алюминием катодных плиток, выполненных вдоль поверхности торца катодного комплекта и выполненных (прикрепленных в заданном месте) адгезивом, содержащим смачиваемые алюминием добавку и/или огнеупорный компонент, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00046] Как показано на фигуре 5С, катодные плитки в целом выполнены вертикально и горизонтально и приклеены на поверхность катодной опоры с образованием катодной конструкции (например, смежной с настилом электролизера) в соответствии с настоящим раскрытием.
[00047] Фигура 5D показывает вид сбоку в разрезе катодной конструкции по фигуре 5С, показывая катодные плитки, выполненные/прикрепленные адгезивом на поверхности опорного элемента, который закрыт под катодными плитками и адгезивом (содержится внутри них), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00048] Также показаны смачиваемые алюминием части, которые выполнены проходящими по в целом плоскому настилу электролизера и соединяют каждую катодную конструкцию (например, на ее самом нижнем конце) со следующей катодной конструкцией (например, на ее самом нижнем конце) со смачиваемой алюминием частью (например, деталями, плитками, смачиваемыми алюминием покрытиями и/или их комбинациями), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00049] Фигура 6 показывает вид сбоку в разрезе варианта осуществления катодной конструкции, в котором катодное покрытие (смачиваемое алюминием покрытие) выполнено (например, окрашиванием, распылением, нанесением щетками, нанесением валиками и/или их комбинациями) на поверхности опорного элемента, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00050] Также показаны смачиваемые алюминием части, которые выполнены проходящими по в целом плоскому настилу электролизера и соединяют каждую катодную конструкцию (например, на ее самом нижнем конце) со следующей катодной конструкцией (например, на ее самом нижнем конце) со смачиваемой алюминием частью (например, деталями, плитками, смачиваемыми алюминием покрытиями и/или их комбинациями), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00051] Фигура 7 показывает вид сбоку в разрезе варианта осуществления катодного комплекта, в котором катодный элемент представляет собой монолитный блок, который выполнен на настиле электролизера, в соответствии с настоящим раскрытием. Также показаны смачиваемые алюминием части, которые выполнены проходящими по в целом плоскому настилу электролизера и соединяют каждую катодную конструкцию (например, на ее самом нижнем конце) со следующей катодной конструкцией (например, на ее самом нижнем конце) со смачиваемой алюминием частью (например, деталями, плитками, смачиваемыми алюминием покрытиями и/или их комбинациями), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00052] Фигура 8 показывает схематический вид сбоку в разрезе варианта осуществления электролизера, показывая катодный комплект и соответствующие аноды с анодными профилями, выполненными с возможностью вмещать катодные конструкции катодного комплекта, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00053] Как показано на фигуре 8, катодные конструкции выполнены проходящими в разнесенном взаимном расположении (например, с чередованием с соответствующими анодами), с катодными частями, выполненными проходящими от нижнего конца одной катодной конструкции под нижней поверхностью соответствующего анода и смежно с катодным настилом до положения, смежного с нижней частью соседней катодной конструкции, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00054] Фигура 9А показывает частичный вид в плане сверху электролизера, показывая приемник вдоль торца электролизера, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00055] Фигура 9В показывает вид в плане сверху электролизера, показывая два приемника, проходящие от борта до борта, вдоль средней части электролизера, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00056] Фигура 9С показывает вид в плане сверху электролизера, показывая два приемника, проходящие вдоль каждой из противоположных боковых сторон электролизера, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00057] Фигура 9D показывает частичный вид в плане сверху электролизера, показывая два противоположных приемника, которые проходят в целом по средней части электролизера и в разнесенном взаимном расположении от торца к торцу, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00058] Фигура 10 показывает вариант осуществления, иллюстрирующий конфигурацию крепления катодного элемента к настилу электролизера, показывая охватываемую контактно взаимодействующую часть на нижней торцевой/обращенной к подине части катодного элемента, соответствующую охватывающей части в настиле, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00059] Фигура 11 показывает вариант осуществления, иллюстрирующий конфигурацию крепления катодного элемента к настилу электролизера, показывая адгезив/клей вдоль нижней торцевой/обращенной к подине части катодного элемента, который прикрепляет/приклеивает катодный элемент к настилу, в соответствии с настоящим раскрытием.
[00060] Фигура 12 показывает вариант осуществления, иллюстрирующий конфигурацию крепления катодного элемента к настилу электролизера, показывая две соответствующие канавки/два соответствующих места крепления в катодном блоке (проходящие от поверхности настила в катодный блок и выполненные с возможностью удерживания/фиксации нижних концов соответствующих катодных плит (и/или плиток) катодной конструкции), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00061] Фигура 13 показывает общую конфигурацию анода и катода в электролизере (например, настил электролизера, границу раздела между ванной электролита и паром), в общем характеризуя три переменные: межполюсное расстояние (МПР), перекрытие анода с катодом и высоту катода (в процентах от общей высоты ванны электролита), в соответствии с настоящим раскрытием.
[00062] Фигура 14А показывает график зависимости сопротивления электролизера от концентрации глинозема в ванне электролита для электролизера, имеющего графитовый анод с плоской подошвой и МПР 3/8 дюйма.
[00063] Фигура 14В показывает график зависимости сопротивления электролизера от концентрации глинозема в ванне электролита для электролизера, имеющего углеродный анод со снабженной пазом подошвой и МПР 3/4 дюйма.
[00064] Вышеуказанные чертежи необязательно выполнены в масштабе, а вместо этого основное внимание уделено иллюстрации принципов настоящего изобретения. Кроме того, некоторые признаки могут быть преувеличены, чтобы показать подробности конкретных компонентов. Данные чертежи/фигуры предназначены быть разъясняющими, а не ограничивающими изобретение.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00065] Дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения будут частично изложены в нижеследующем описании и частично станут очевидными из описания или могут быть уяснены при реализации изобретения на практике.
[00066] Употребляемый здесь термин «электролиз» означает любой процесс, который вызывает химическую реакцию за счет пропускания электрического тока через материал.
[00067] В некоторых вариантах осуществления происходит электролиз, при котором частицы металла восстанавливаются в электролизере с получением металлического продукта. Некоторые неограничивающие примеры электролиза включают получение первичного металла. Некоторые неограничивающие примеры получаемых электролитически металлов включают: редкоземельные металлы, цветные металлы (например, медь, никель, цинк, магний, свинец, титан, алюминий и редкоземельные металлы).
[00068] Употребляемый здесь термин «электролизер» означает устройство для проведения электролиза. В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя электролизную ванну или линию электролизных ванн (например, множественные электролизные ванны). В одном неограничивающем примере электролизер снабжен электродами, которые служат в качестве проводника, по которому ток входит в неметаллическую среду (например, ванну электролита) или выходит из нее.
[00069] Употребляемый здесь термин «электрод» означает положительно заряженные электроды (например, аноды) или отрицательно заряженные электроды (например, катоды).
[00070] Употребляемый здесь термин «анод» означает положительный электрод (или вывод), по которому ток поступает в электролизер. В некоторых вариантах осуществления аноды изготовлены из электропроводящих материалов.
[00071] В некоторых вариантах осуществления анод изготовлен из углеродного материала (например, анод на основе графита, угольный анод).
[00072] В некоторых вариантах осуществления анод представляет собой анод выделения кислорода (иногда называемый инертным анодом). Например, инертный анод выполнен стабильным по размерам и/или имеет значительно меньшую скорость коррозии, чем у соответствующего углеродного анода. Некоторые неограничивающие примеры материалов инертных анодов включают: металлы, металлические сплавы, керамические материалы, металлокерамические материалы и/или их комбинации.
[00073] Употребляемый здесь термин «анодный комплект» включает в себя один или более анодов, соединенных со штырем/штангой, и опору (например, для регулирования/подъема/опускания анода). В некоторых вариантах осуществления анодный комплект включает в себя соответствующую электрическую шину, которая выполнена с возможностью направления тока в анод через штырь.
[00074] Употребляемый здесь термин «опора» означает деталь, которая удерживает другой(-ие) предмет(-ы) на месте. В некоторых вариантах осуществления опора представляет собой катодную опору- конструкцию, которая удерживает катодные плиты на месте (например, с наклонной конфигурацией). В некоторых вариантах осуществления опора электрически соединена с катодными плитами и/или катодным комплектом. В некоторых вариантах осуществления опора представляет собой изолятор и/или выполнена без электрического соединения с катодными плитами и/или катодным комплектом.
[00075] В одном варианте осуществления катодная опора изготовлена из материала, который является стойким к воздействию коррозионно-активной ванны электролита. Например, опора изготовлена из огнеупорного материала, углеродного или углеродного композиционного материалов, и/или полой конструкции (например, наполнителя с несущей опорой и жесткостью, достаточными для удерживания катодных плит на месте).
[00076] Употребляемый здесь термин «электрическая ошиновка» относится к электрическим соединителям одного или более компонентов. Например, анод, катод и/или другие компоненты электролизера могут иметь электрическую ошиновку для соединения этих компонентов друг с другом. В некоторых вариантах осуществления электрическая ошиновка включает в себя штыревые соединители в анодах, штангу/стержень для подсоединения анодов и/или катодов, электрические цепи для (или между) различных компонентов электролизера и их комбинации.
[00077] Употребляемый здесь термин «катод» означает отрицательный электрод или вывод, по которому ток выходит из электролизера. В некоторых вариантах осуществления катод электрически подсоединен через подину электролизера (например, токоотводящий стержень и электрическую ошиновку).
[00078] В некоторых вариантах осуществления катоды изготовлены из электропроводящего, смачиваемого алюминием материала.
[00079] Употребляемый здесь термин «смачиваемый» означает: жидкий/расплавленный материал, имеющий контактный угол на поверхности твердого тела, не превышающий 90 градусов.
[00080] Некоторые неограничивающие примеры материала катода включают: бориды переходных металлов (например, бориды титана, бориды циркония, бориды гафния); бориды металлов и углеродные композиционные материалы; и/или их комбинации.
[00081] Употребляемый здесь термин «катодный комплект» относится к катодной части электролизера, выполненной с возможностью отвода тока из электролизера. В качестве неограничивающего примера катодный комплект включает в себя следующие компоненты: токоотводящий(-е) подузел/подузлы, токоотводящий-е) стержень (стержни), катодный блок, катодную(-ые) конструкцию(-и) (например, выполненную(-ые) с катодными элементами (плитами, плитками, катодными покрытиями), опорными элементами), устройство(-а) механического крепления и соответствующий(-е) компонент(-ы) крепления, адгезив/клей, катодную(-ые) часть(-и) (например, выполненную(-ые) с возможностью прикрепления к настилу в обычно горизонтальном положении и проходящую-ие) между катодными конструкциями), приемник(-и), электрическую ошиновку и/или их комбинации.
[00082] Употребляемый здесь термин «катодная конструкция» означает: катодные компоненты (например, монолитные блоки, катодные плиты, размещенные на опорном элементе (например, посредством необязательных адгезивов или крепежных компонентов), катодные плитки, размещенные на опорном элементе (например, посредством необязательных адгезивов или крепежных компонентов), катодные покрытия, размещенные на опорном элементе, адгезивы для соединения/склеивания компонентов вместе, устройства механического крепления и соответствующие крепежные компоненты на катодной конструкции и/или их комбинации.
[00083] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция сообщается с подиной электролизера и проходит вверх от подины электролизера. В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция сообщается с металлическим продуктом/слоем металла (например, металла, образовавшегося на поверхности катодной конструкции). В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция находится на высоте, которая ниже границы раздела между ванной электролита и воздухом. В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция расположена в ванне электролита.
[00084] В некоторых вариантах осуществления множественные катодные плиты соединены (например, механически и электрически) с катодной опорой. В некоторых вариантах осуществления 2, 4, 6, 8 или более катодных плит прикреплены к катодной опоре.
[00085] В некоторых вариантах осуществления электрическое соединение с катодными конструкциями обеспечивается слоем металла. В некоторых вариантах осуществления электрическое соединение с катодными конструкциями обеспечивается за счет контакта с катодно-поляризованной подиной электролизера.
[00086] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от по меньшей мере 5° до не более 89°.
[00087] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от по меньшей мере 15° до не более 75°.
[00088] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от по меньшей мере 30° до не более 65°.
[00089] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от по меньшей мере 15° до не более 35°.
[00090] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от по меньшей мере 55° до не более 75°.
[00091] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (наклонной поверхности, бета) составляет: по меньшей мере 5°; по меньшей мере 10°; по меньшей мере 15°; по меньшей мере 20°; по меньшей мере 25°; по меньшей мере 30°; по меньшей мере 35°; по меньшей мере 40°; по меньшей мере 45°; по меньшей мере 50°; по меньшей мере 55°; по меньшей мере 60°; по меньшей мере 65°; по меньшей мере 70°; по меньшей мере 75°; по меньшей мере 80° или по меньшей мере 85°.
[00092] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (наклонной поверхности, бета) составляет: не более 5°; не более 10°; не более 15°; не более 20°; не более 25°; не более 30°; не более 35°; не более 40°; не более 45°; не более 50°; не более 55°; не более 60°; не более 65°; не более 70°; не более 75°; не более 80° или не более 85°.
[00093] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет от 0° (например, при плоской поверхности) до не более 15°.
[00094] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет от по меньшей мере 0,1° до не более 15°.
[00095] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет от по меньшей мере 1° до не более 10°.
[00096] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет от по меньшей мере 2° до не более 5°.
[00097] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет: по меньшей мере 1°; по меньшей мере 5°; по меньшей мере 10° или по меньшей мере 15°.
[00098] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока (альфа) составляет: не более 1°; не более 5°; не более 10° или не более 15°.
[00099] Употребляемый здесь термин «наружный кожух» означает самую внешнюю часть защитного покрова боковой стенки. В одном варианте осуществления наружный кожух представляет собой защитный покров внутренней стенки электролизера. В качестве неограничивающих примеров наружный кожух изготовлен из твердого материала, который окружает электролизер (например, из стали).
[000100] Употребляемое здесь выражение «по меньшей мере» означает больше или равно.
[000101] Употребляемое здесь выражение «не более» означает меньше или равно.
[000102] Употребляемый здесь термин «токоотводящий стержень» относится к стержню, который осуществляет отвод тока из электролизера. В одном неограничивающем примере токоотводящий стержень отводит ток от катода и передает ток электрической ошиновке для отвода тока из системы.
[000103] Употребляемый здесь термин «электролит» означает среду, в которой осуществляется протекание электрического тока за счет перемещения ионов/ионных частиц. В одном варианте осуществления электролит может содержать солевой расплав. Некоторый неограничивающий пример состава ванны электролита включает: NaF-AlF3 (в алюминиевом электролизере), NaF, AlF3, CaF2, MgF2, LiF, KF и их комбинации - с растворенными соединениями металлов (например, глиноземом).
[000104] Употребляемые здесь термины «расплавленный» и «расплав» означают находящейся в текучем виде (например, жидком) за счет подвода тепла. В качестве неограничивающего примера ванна электролита находится в расплавленном виде (например, при по меньшей мере примерно 750°С).
[000105] Употребляемый здесь термин «модернизировать» означает: модифицировать оборудование/установку, которое(ая) уже находится в эксплуатации, посредством использования разработанных или ставших доступными компонентов.
[000106] Употребляемый здесь термин «металлический продукт» означает продукт, который получают электролизом. В одном варианте осуществления металлический продукт образуется на подине электролизера в виде слоя металла. Некоторые неограничивающие примеры металлических продуктов включают: алюминий, никель, магний, медь, цинк и редкоземельные металлы.
[000107] Употребляемый здесь термин «слой металла» означает металлический продукт электролиза. В некоторых вариантах осуществления слой металла образуется из расплавленного металла (металлического алюминия), который образуется на поверхности катода и стекает на подину электролизера и/или в приемник.
[000108] Употребляемый здесь термин «боковая стенка» означает стенку электролизера. В некоторых вариантах осуществления боковая стенка проходит по периметру вокруг подины электролизера и выступает вверх от подины электролизера, образуя корпус электролизера и ограничивая объем, в котором удерживается ванна электролита.
[000109] В одном аспекте раскрытия предложено устройство (например, катодный комплект), содержащее-ий): катодную конструкцию, электрически выполненную в электролизере с возможностью участия в электролитическом получении металла, причем этот металл образуется на поверхности катодной конструкции, при этом катодная конструкция выполнена с возможностью установки вдоль настила алюминиевого электролизера (например, когда настил находится поверх катодного блока или огнеупорного кирпича поверх токоотводящего узла катода), при этом катодная конструкция дополнительно выполнена с углом катодной стенки, имеющим углообразную или наклонную конфигурацию по сравнению с в целом горизонтальной плоскостью (то есть имеющим верхний конец, ближайший к границе раздела между ванной электролита и паром, нижний конец, выполненный вдоль подины электролизера, и среднюю часть, расположенную между верхним концом и нижним концом), при этом посредством угла катодной стенки катодный элемент выполнен с возможностью стекания металлического продукта с его поверхности к нижнему концу катодной конструкции.
[000110] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция выполнена с треугольной геометрической формой (например, с одним концом, лежащим на одном уровне с подиной вдоль подины электролизера/прикрепленным к подине электролизера).
[000111] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (например, бета) составляет от 30 градусов до не более 89 градусов.
[000112] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки катодной конструкции (бета) составляет от 30 градусов до не более 80 градусов.
[000113] В некоторых вариантах осуществления верхний конец катодной конструкции выполнен с углом (например, острыми кромками).
[000114] В некоторых вариантах осуществления верхний конец катодной конструкции выполнен с дугообразным краем (скругленным краем).
[000115] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция представляет собой монолитную (например, цельную) керамическую деталь (например, смачиваемую алюминием керамическую деталь), которая выполнена с возможностью прикрепления к подине электролизера.
[000116] В некоторых вариантах осуществления нижний конец монолитной керамической детали выполнен с устройством механического крепления (которое, например, выполнено с возможностью обеспечения механического крепления к подине электролизера).
[000117] В некоторых вариантах осуществления нижний конец монолитного катодного элемента выполнен с охватываемой выступающей частью, которая выполнена с возможностью вставки в соответствующую охватывающую часть (и, например, с возможностью прикрепления или приклеивания к соответствующей охватывающей части) в подине электролизера (например, катодном блоке).
[000118] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция содержит множество катодных плит, которые выполнены с их соответствующими верхними концами, смежными друг с другом, и соответствующими нижними концами, смежными друг с другом (например, с обеспечением в целом зигзагообразного узора, если смотреть в сечении).
[000119] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере две катодные плиты установлены на опорном элементе, так что катодные плиты, а не опорный элемент, находятся в контакте с ванной расплавленного электролита и/или металлом (металлическим продуктом).
[000120] В некоторых вариантах осуществления катодные плиты прикреплены к опорному элементу.
[000121] В некоторых вариантах осуществления катодные плиты приклеены к и/или сцеплены с опорным элементом.
[000122] В некоторых вариантах осуществления катодные плиты механически прикреплены к опорному элементу.
[000123] В некоторых вариантах осуществления катодные плиты механически прикреплены к подине электролизера (например, часть между катодными плитами пуста, отсутствует какой-либо опорный элемент или материал-наполнитель, размещенный между катодными плитами).
[000124] В некоторых вариантах осуществления опорный элемент выполнен из огнеупорных материалов, керамического материала (например, не смачиваемого алюминием), пористого наполнителя, наполнителя, углеродистого материала, композиционного материала (например, углеродистого и керамического материалов) и/или их комбинаций.
[000125] В некоторых вариантах осуществления опорный элемент электрически соединен с катодными плитами. В некоторых вариантах осуществления опорный элемент не имеет электрического соединения с катодными плитами (например, опорный элемент представляет собой электроизоляционный материал).
[000126] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция содержит множество катодных элементов, выполненных с в целом параллельной, разнесенной конфигурацией вдоль настила электролизера.
[000127] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция имеет отрицательную полярность (например, электрически соединена с электролизером) за счет: (1) контакта со слоем металла; (2) скрепления с катодным блоком, выполненным вдоль настила/конца подины электролизера; (с) прикрепления к подузлу катодных токоотводящих стержней, и/или их комбинаций.
[000128] В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции выполнены в виде опорных элементов, выполненных/закрепленных на катодном блоке (например, углеродных блоках) вдоль настила электролизера, при этом опорные элементы имеют смачиваемое алюминием покрытие (например, краску), покрывающее(-ую) углеродистый материал (например, покрытие нанесено окунанием, распылением, окрашиванием, нанесением валиком или иным методом на поверхность углеродных блоков).
[000129] В некоторых вариантах осуществления катодная конструкция выполнена в виде смачиваемых алюминием компонентов, которые прикреплены к не смачиваемому алюминием элементу (например, к проводящему материалу/опорному элементу, выполненному из углерода), прикрепленному к катодному блоку вдоль настила электролизера. Неограничивающие примеры катодного элемента со смачиваемым алюминием покрытием (например, краской), покрывающим(-ей) углеродистый материал, включают: покрытия, которые нанесены окунанием, распылением, окрашиванием, нанесением валиком или иным методом на поверхность не смачиваемых алюминием компонентов.
[000130] В некоторых вариантах осуществления катодный элемент содержит множество плиток (например, смачиваемых алюминием керамических плиток), которые приклеены в заданном месте поверх углеродного блока цементным раствором или адгезивом (при этом, например, цементный раствор или адгезив содержит смачиваемый алюминием керамический материал) так, что цементный раствор и плитки взаимодействуют в углу катодной стенки в виде катодной поверхности со стоком металла.
[000131] В некоторых вариантах осуществления катодные элементы содержат множество плиток (например, смачиваемых алюминием керамических плиток), которые приклеены в заданном месте поверх углеродного блока цементным раствором или адгезивом (при этом, например, цементный раствор или адгезив имеет смачиваемые алюминием керамическое покрытие или краску, нанесенные на его поверхность), так что цементный раствор и плитки взаимодействуют в углу катодной стенки в виде катодной поверхности со стоком металла.
[000132] В некоторых вариантах осуществления катодные элементы содержат множество плиток (например, смачиваемых алюминием керамических плиток), которые приклеены в заданном месте поверх углеродного блока цементным раствором или адгезивом; при этом (1) цементный раствор или адгезив содержит смачиваемый алюминием керамический материал и (2) цементный раствор или адгезив имеет смачиваемые алюминием керамическое покрытие или краску, нанесенные на его поверхность, так что цементный раствор и плитки взаимодействуют в углу катодной стенки в виде катодной поверхности со стоком металла.
[000133] В одном аспекте настоящего раскрытия катодный элемент выполнен с катодным углом стока вдоль нижнего конца катода (например, необязательно, в сочетании с катодным блоком, на котором выполнен(-ы)/закреплен(-ы) катодный(-е) элемент(-ы)), так что металлический продукт, который стекает посредством угла катодной стенки, далее направляется посредством катодного угла стока в зону сбора (например, приемник), расположенную(-ый) вдоль/смежно с катодной зоной в электролизере (например, приемник выполнен/расположен вдоль бокового прохода, торцевого прохода или между катодными элементами).
[000134] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока составляет от 0,1 градуса до 15 градусов.
[000135] В некоторых вариантах осуществления катодный угол стока составляет от 1 градуса до 5 градусов.
[000136] В одном аспекте раскрытия предложено устройство, содержащее: катодный элемент, электрически выполненный в электролизере с возможностью участия в электролитическом получении металла, причем этот металл образуется на поверхности катодного элемента, при этом катодный элемент выполнен с возможностью установки вдоль настила алюминиевого электролизера, при этом катодный элемент дополнительно выполнен с углом катодной стенки с углообразной или наклонной конфигурацией по сравнению с в целом горизонтальной плоскостью (т.е. имеет верхний конец, ближайший к границе раздела между ванной электролита и паром, нижний конец, ближайший к подине электролизера, и среднюю часть, расположенную между верхним концом и нижним концом), при этом посредством угла катодной стенки катодный элемент выполнен с возможностью стекания металлического продукта с его поверхности к нижнему концу катодного элемента, и катодный элемент дополнительно выполнен с катодным углом стока вдоль нижнего конца катода (например, необязательно, в сочетании с катодным блоком, на котором выполнен(-ы)/закреплен(-ы) катодный(-е) элемент(-ы)), так что металлический продукт, который стекает посредством угла катодной стенки, далее направляется посредством катодного угла стока в зону сбора (например, приемник), расположенную(-ый) вдоль/смежно с катодной зоной в электролизере (например, приемник выполнен/расположен вдоль бокового прохода, торцевого прохода или между катодными элементами).
[000137] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль внутренней области катодного комплекта (например, удаленно от боковой стенки или торцевой стенки).
[000138] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль боковой стенки.
[000139] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль обеих боковых стенок (например, в целом противоположных друг другу).
[000140] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль торцевой стенки.
[000141] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль обеих торцевых стенок (например, в целом противоположных друг другу).
[000142] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль боковой стенки и торцевой стенки.
[000143] В некоторых вариантах осуществления зона сбора (например, приемник) расположен(а) вдоль как боковых стенок, так и торцевых стенок (например, выполнена в целом периметрической по внутреннему периметру электролизера).
[000144] В некоторых вариантах осуществления катодный комплект выполнен с в целом горизонтальной частью (например, полкой) между катодным элементом, имеющим угол катодной стенки, и сборной частью (например, приемником).
[000145] В некоторых вариантах осуществления смежный с приемником катодный элемент выполнен со смещенным углом катодной стенки, так что металл стекает с катодного элемента непосредственно в приемник (например, никакая полка не расположена между данным элементом и сборной частью/приемником).
[000146] В некоторых вариантах осуществления выливка из электролизера осуществляется непрерывно (например, для удаления металлического продукта из электролизера).
[000147] В некоторых вариантах осуществления выливка из электролизера осуществляется периодически (для удаления металлического продукта из электролизера с некоторой периодичностью, не непрерывно).
[000148] В некоторых вариантах осуществления предложен алюминиевый электролизер, содержащий: катодный комплект, выполненный из множества катодных элементов, имеющих угол катодной стенки, достаточный для содействия стеканию металлического продукта к нижнему концу катодного комплекта; анодный комплект, выполненный из множества анодов, при этом каждый анод представляет собой монолитный блок из углерода, имеющий анодный профиль, выполненный соответствующим углу катодной стенки катодного комплекта, при этом катодные элементы катодного комплекта и аноды анодного комплекта выполнены с вертикальной ориентацией (например, с разнесенной конфигурацией анод-катод-анод-катод).
[000149] В некоторых вариантах осуществления посредством анодного профиля оптимизируется межполюсное расстояние во время электролитического получения металлического продукта (например, алюминия).
[000150] В некоторых вариантах осуществления анодный профиль выполнен со скошенными/наклонными краями (например, острыми кромками).
[000151] В некоторых вариантах осуществления анодный профиль выполнен с дугообразными краями (скругленной кромкой).
[000152] В некоторых вариантах осуществления анодный профиль выполнен посредством: механической обработки анода для выполнения анода с множеством наклонных/скошенных краев вдоль его боковой стенки, которые соответствуют профилю/размеру катодного комплекта (например, углу наклона стенок катодных элементов).
[000153] В некоторых вариантах осуществления анодный профиль выполнен посредством: изготовления анода с данным анодным профилем (например, смешивания пека и кокса; направления смеси в пресс-форму, выполненную с профилем сырого анода; подвергания находящейся в пресс-форме смеси вибрации для обеспечения надлежащего уплотнения и распределения в пресс-форме; и обжига сырого анода, имеющего профиль сырого анода, для получения анода, имеющего анодный профиль; и втыкания в анод штыря, выполненного с возможностью направления электрического тока из штыря в анод).
[000154] В некоторых вариантах осуществления каждый анод дополнительно выполнен с по меньшей мере одним анодным пазом (например, с множеством параллельных анодных пазов), выполненным вдоль нижнего конца анода (например, обычно напротив в целом горизонтальных частей катодного комплекта), причем эти пазы выполнены с возможностью направления пузырьков и/или захваченных газов от нижнего конца анода в ванну расплавленного электролита.
[000155] В некоторых вариантах осуществления предложен алюминиевый электролизер, содержащий: катодный комплект, имеющий множество катодных элементов, выполненных с углом катодной стенки (например, для направления расплавленного металлического продукта к нижнему концу катодной стенки, в целом смежному с подиной/настилом электролизера), при этом катодный комплект дополнительно выполнен с катодным углом стока (например, для направления расплавленного металлического продукта в зону сбора/приемник); анодный комплект, выполненный из множества углеродных анодов, имеющих анодный профиль, соответствующий углу катодной стенки и катодному углу стока, для обеспечения в целом одинакового межполюсного расстояния (например, в пределах приемлемых и/или заданных пороговых значений), при этом катодные элементы катодного комплекта и аноды анодного комплекта выполнены с вертикальной ориентацией (например, с разнесенной конфигурацией анод-катод-анод-катод).
[000156] В некоторых вариантах осуществления предложен способ, включающий: извлечение анодного комплекта из обычного электролизера для выплавки цветного металла; механическое прикрепление катодного комплекта к подине электролизера (например, катодному блоку), при этом катодный комплект выполнен с множеством катодных элементов, изготовленных из смачиваемого алюминием материала, при этом каждый катодный элемент выполнен с углом катодной стенки для содействия стеканию металлического продукта с верхней или средней части катодного элемента к нижней части катодного элемента; и введение анодного комплекта, содержащего множество анодов, при этом аноды выполнены со скошенным краем, в целом соответствующим углу катодной стенки, так что межполюсное расстояние является постоянным (например, в пределах заданного диапазона) независимо от того, измерено ли оно между соответствующими в целом горизонтальными частями катодного комплекта и анодами или измерено между катодными элементами с углом катодной стенки и скошенным краем анодов.
[000157] В некоторых вариантах осуществления способ включает нагрев ванны солевого расплава, выполненной в электролизере.
[000158] В некоторых вариантах осуществления способ включает подачу сырьевого материала в электролизер, причем это сырье содержит соединение металла (например, глинозем), представляющего собой желаемый металлический продукт (например, металлический алюминий).
[000159] В некоторых вариантах осуществления способ включает электролитическое получение металла в электролизере (например, с преобразованием содержащего соединение металла сырьевого материала в металлический продукт посредством электролиза).
[000160] В некоторых вариантах осуществления один или более из вышеупомянутых катодных комплектов устанавливают при модернизации в электролизер с предварительно обожженными анодами (например, выполненный с возможностью электролитического производства металлического алюминия).
[000161] В некоторых вариантах осуществления один или более из вышеупомянутых катодных комплектов устанавливают при модернизации в работающий по технологии Содерберга электролизер (например, выполненный с возможностью электролитического производства металлического алюминия).
[000162] В некоторых вариантах осуществления конфигурация катода представляет собой трехмерную структуру, которая позволяет получать алюминий на развитой поверхности (например, при увеличенных площадях поверхности по сравнению с поверхностями на монолитном катодном блоке, выполненном вдоль подины электролизера).
[000163] В некоторых вариантах осуществления трехмерная конфигурация катода позволяет использовать соответствующую анодную конфигурацию (например, монолитного углеродного анода с комплементарными размерами и конфигурацией) для обеспечения постоянного межполюсного расстояния по сравнению с обычными электролизерами, а значит, делает возможными уменьшенные межполюсные расстояния и соответствующее уменьшение межполюсного расстояния и омического падения напряжения.
[000164] В некоторых вариантах осуществления площадь поверхности электродов (например, межэлектродная рабочая зона) увеличивается по сравнению с традиционными двумерными электролизерами.
[000165] В некоторых вариантах осуществления участвующие в реакции поверхности анодов и катодов увеличены.
[000166] В некоторых вариантах осуществления межполюсное расстояние уменьшено по сравнению с традиционными двумерными электролизерами.
[000167] В некоторых вариантах осуществления производительность по алюминию в расчете на единицу занимаемой электролизером площади увеличивается при раскрытых трехмерных конфигурациях электролизеров.
[000168] В некоторых вариантах осуществления с помощью малого межполюсного расстояния (МПР) уменьшается потребление энергии на единицу производимого алюминия.
[000169] В некоторых вариантах осуществления трехмерные электролизеры по настоящему раскрытию имеют увеличенный срок службы электролизера по сравнению с двумерными электролизерами.
[000170] В некоторых вариантах осуществления трехмерные конфигурации могут быть получены при модернизации существующих электролизеров (например, для выполнения модернизированного электролизера с увеличенной производительностью, уменьшенным энергопотреблением, уменьшенными фактическими выбросами, эквивалентными выбросам СО2, избегая больших капитальных вложений (например, по сравнению с двумерным электролизером или постройкой нового завода с линией двумерных электролизных ванн)).
[000171] В некоторых вариантах осуществления настоящее раскрытие направлено на использование новых катодных конструкций (например, катодов с возможностью стекания алюминия самотеком) в электролизере для обеспечения возможности получения расплавленного алюминия на поверхности катодных конструкций в сочетании со стеканием расплавленного алюминия (например, посредством сочетания смачиваемых алюминием катодных поверхностей и силы тяжести) со стоком расплавленного алюминия в зону сбора (например, приемник) для сбора (например, с периодической или непрерывной выливкой). В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции выполнены из смачиваемого алюминием материала или с ним для обеспечения возможности получения расплавленного металла на поверхности катодной конструкции, посредством чего (1) увеличивается эффективная площадь поверхности с увеличением производства металла в электролизере и/или (2) уменьшается межполюсное расстояние с уменьшением энергопотребления в электролизере по сравнению с обычными электролизерами, производящими тот же металл, но без таких катодных конструкций. В некоторых вариантах осуществления настоящее раскрытие направлено на модернизацию существующих электролизных установок новыми катодными конструкциями, описанными в данном документе. В некоторых вариантах осуществления катодные конструкции выполнены с возможностью уменьшения анодного эффекта (например, уменьшения образования парниковых газов, таких как тетрафторид углерода) и увеличения срока службы электролизера.
[000172] Далее подробно рассматриваются различные варианты осуществления настоящего изобретения. Эти варианты осуществления описаны ниже для обеспечения более полного понимания компонентов, процессов и устройств по настоящему изобретению. Любые приведенные примеры предназначены быть иллюстративными, а не ограничивающими. По всему описанию и формуле изобретения нижеприведенные термины имеют смысловые значения, очевидным образом ассоциирующиеся с ними, если контекст явным образом не диктует иное. Употребляемые здесь выражения «в некоторых вариантах осуществления» и «в одном варианте осуществления» не обязательно относятся к одному и тому же варианту (одним и тем же вариантам) осуществления, хотя это может иметь место. Кроме того, употребляемые здесь выражения «в другом варианте осуществления» и «в некоторых других вариантах осуществления» не обязательно относятся к иному варианту осуществления, хотя это может иметь место. Как описано ниже, различные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть легко скомбинированы без отхода от объема или сущности настоящего изобретения.
[000173] Употребляемый здесь термин «или» представляет собой инклюзивный оператор и эквивалентен термину «и/или», если контекст явным образом не диктует иное. Выражение «на основе» не является исключающим и допускает основанность на неописанных дополнительных факторах, если контекст явным образом не диктует иное. Кроме того, по всему описанию единственное число охватывает множественное число. Значение предлога «в» охватывает значения «в» и «на».
ПРИМЕРЫ
[000174] Выполнили полное компьютерное моделирование, сравнивая две обычных технологии выплавки алюминия (выплавки по технологии Содерберга и выплавки в электролизере с предварительно обожженными анодами), предусматривающими выплавку данных типов, с внедренными вариантами осуществления настоящего раскрытия (например, при применении для модернизации - варианты 1-3 или при применении на новом заводе). Для каждого из вариантов 1-3 (модернизация) и варианта нового завода изменяли высоту катодной конструкции, при этом в варианте 1 она была наибольшей, в варианте 3 – наименьшей, а в варианте 2 высота имела среднее значение. Остальные две переменные, а именно угол катодной конструкции и угол стока, сохраняли на значениях в пределах заданных диапазонов, приведенных в настоящем раскрытии. При моделировании нового завода допущения состояли в том, что конструкция электролизной ванны может измениться по сравнению с модернизированными вариантами (например, при выборе конструкции с бóльшей электролизной ванной, большей ошиновкой и выпрямляющей подстанцией и других конструктивных возможностей, используемых для максимизации получения металла из электролизеров).
[000175] Фигура 2А показывает прогнозируемые эксплуатационные характеристики конкретного электролизного завода по технологии Содерберга в зависимости от 4 вариантов осуществления настоящего раскрытия (варианты 1-3 - модернизация, а вариант 4 - строительство нового завода). Фигура 2А (верхний график) показывает снижение энергопотребления (улучшенное использование энергии) в вариантах осуществления настоящего раскрытия по сравнению с обычным электролизным заводом по технологии Содерберга для каждого варианта модернизации и варианта нового завода. При всех четырех вариантах осуществления имеет место прогнозируемое улучшение энергопотребления (более низкое энергопотребление) по сравнению с существующим традиционным электролизным заводом по технологии Содерберга.
[000176] Фигура 2А (нижний график) показывает производственную мощность (количество металлического алюминия, производимого за год) по вариантам осуществления настоящего раскрытия в сравнении с обычным электролизным заводом по технологии Содерберга для каждого варианта модернизации и варианта нового завода. При всех четырех вариантах осуществления имеет место прогнозируемое увеличение производственной мощности (больше производимого алюминия) по сравнению с существующим традиционным электролизным заводом по технологии Содерберга.
[000177] Фигура 2В предусматривает сравнительный пример конкретного электролизного завода с электролизерами с предварительно обожженными анодами в зависимости от модернизации и строительства нового завода по технологии электролизеров с предварительно обожженными анодами и с наклонными конфигурациями анодов и катодов, описанными в данном документе.
[000178] Фигура 2В показывает прогнозируемые эксплуатационные характеристики конкретного электролизного завода с электролизерами с предварительно обожженными анодами в зависимости от 4 вариантов осуществления настоящего раскрытия (варианты 1-3 - модернизация, а вариант 4 - строительство нового завода). Фигура 2В (верхний график) показывает снижение энергопотребления (улучшенное использование энергии) в вариантах осуществления настоящего раскрытия по сравнению с обычным электролизным заводом с электролизерами с предварительно обожженными анодами для каждого варианта модернизации и варианта нового завода. При всех четырех вариантах осуществления имеет место прогнозируемое улучшение энергопотребления (более низкое энергопотребление) по сравнению с существующим традиционным электролизным заводом с электролизерами с предварительно обожженными анодами.
[000179] Фигура 2В (нижний график) показывает производственную мощность (количество металлического алюминия, производимого за год) по вариантам осуществления настоящего раскрытия в сравнении с обычным электролизным заводом с электролизерами с предварительно обожженными анодами для каждого варианта модернизации и варианта нового завода. При всех четырех вариантах осуществления имеет место прогнозируемое увеличение производственной мощности (больше производимого алюминия) по сравнению с существующим традиционным электролизным заводом с электролизерами с предварительно обожженными анодами.
[000180] Ссылочные позиции:
10 – Устройство
12 – Катодный комплект
14 – Катодный элемент
16 – Катодная конструкция
18 – Нижний конец
20 – Средний конец
22 – Верхний конец
24 – Углообразная/наклонная конфигурация катодной конструкции
26 – Устройство механического крепления
28 – Охватываемая выступающая часть на катодном элементе
30 – Охватывающая часть крепления
32 – Адгезив или клей
34 – Катодные плиты
36 – Катодный блок
38 – Катодная плитка
40 – Катодное покрытие (например, смачиваемое алюминием покрытие)
42 – Опорный элемент
44 – Катодный угол стока
46 – Высота катода
48 – Катодный блок/настил
50 – Электролизер
52 – Боковая стенка
54 – Анод
56 – Анодный комплект
58 – Анодный штырь/штанга электрического соединения (например, несущая опора)
60 – Анодный паз
62 – Край анода (например, соответствующий профиль)
64 – Анодный профиль
66 – Межполюсное расстояние
68 – Перекрытие анода с катодом
70 – Металлический продукт
72 – Ванна электролита
74 – Граница раздела ванны электролита и пара
76 – Граница раздела ванны электролита и металла
78 – Приемник
80 – Боковая сторона
82 – Торец
84 – Середина (например, интервал между анодными комплектами и катодными комплектами)
85 – Вспомогательная шина.
[000181] Хотя выше были подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть разработаны различные модификации и альтернативы таким деталям с учетом общих технический сведений раскрытия. Соответственно, конкретные раскрытые конструкции подразумеваются лишь только иллюстративными, а не ограничивающими по отношению к объему изобретения, который должен определяться полным объемом приложенной формулы изобретения и любых и всех ее эквивалентов.
1. Катодный комплект для электролизера, содержащий:
катодную конструкцию, расположенную в электролизере, при этом электролизер выполнен с возможностью получения металла на поверхности катодной конструкции,
при этом катодная конструкция выполнена с возможностью установки вдоль настила электролизера,
при этом катодная конструкция содержит (а) опорный элемент, имеющий первую стенку и противоположную ей вторую стенку, и (б) по меньшей мере две катодные плиты, прикрепленные к упомянутому опорному элементу,
при этом первая катодная плита прикреплена к упомянутой первой стенке опорного элемента,
при этом вторая катодная плита прикреплена к упомянутой второй стенке опорного элемента,
при этом упомянутые по меньшей мере две катодные плиты выполнены с возможностью их по меньшей мере частичного погружения в ванну расплавленного электролита;
при этом катодная конструкция имеет наклонную поверхность по сравнению с горизонтальной плоскостью,
при этом посредством наклонной поверхности катодная конструкция выполнена с возможностью стекания металлического продукта с наклонной поверхности к углеродному настилу электролизера.
2. Катодный комплект по п. 1, причем катодная конструкция имеет треугольную геометрическую форму.
3. Катодный комплект по п. 1, причем наклонная поверхность катодной конструкции имеет угол наклона стенки от 15 градусов до не более 89 градусов.
4. Катодный комплект по п. 1, причем высота катодной конструкции составляет от 5% до 95% от высоты ванны расплавленного электролита.
5. Катодный комплект по п. 1, причем верхний конец катодной конструкции является углообразным.
6. Катодный комплект по п. 1, в котором верхний конец катодной конструкции имеет дугообразный край.
7. Катодный комплект по п. 1, причем упомянутые по меньшей мере две катодные плиты механически прикреплены к настилу электролизера, при этом упомянутые по меньшей мере две катодные плиты и настил электролизера ограничивают пустой объем.
8. Катодный комплект по п. 1, причем катодная конструкция представляет собой одну из множества катодных конструкций, при этом упомянутый катодный комплект содержит множество катодных конструкций, и при этом множество катодных конструкций расположены в параллельной, разнесенной конфигурации вдоль настила электролизера.
9. Катодный комплект по п. 1, причем опорный элемент содержит углеродный блок, причем упомянутая первая стенка представляет собой первую стенку углеродного блока, причем упомянутая вторая стенка представляет собой вторую стенку углеродного блока, при этом первая катодная плита прикреплена к первой стенке углеродного блока, и при этом вторая катодная плита прикреплена ко второй стенке углеродного блока.
10. Катодный комплект по п. 9, причем верхнюю поверхность углеродного блока по меньшей мере частично покрывает смачиваемое алюминием покрытие.
11. Катодный комплект по п. 1, причем опорный элемент содержит не смачиваемый алюминием компонент, и при этом по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух катодных плит содержит смачиваемый алюминием компонент.
12. Катодный комплект по п. 1, причем по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух катодных плит по меньшей мере частично образована множеством плиток, приклеенных к опорному элементу.
13. Катодный комплект по п. 1, причем настил содержит катодный угол стока.
14. Катодный комплект по п. 13, содержащий смежную с настилом зону сбора, при этом катодный угол стока настила является достаточным для направления металлического продукта к зоне сбора.
15. Катодный комплект по п. 13, причем катодный угол стока составляет от 0 градусов до 15 градусов.
16. Катодный комплект по п. 15, причем катодный угол стока составляет от 0,1 градуса до 15 градусов.
17. Катодный комплект по п. 16, причем катодный угол стока составляет от 1 градуса до 5 градусов.
18. Катодный комплект по п. 1, причем катодные плиты полностью погружены в ванну расплавленного электролита.
19. Катодный комплект по п. 1, причем катодный опорный элемент содержит охватываемую часть, выступающую из нижней части катодного опорного элемента,
при этом катодный настил содержит охватывающую часть, выполненную с возможностью приема охватываемой части катодного опорного элемента,
при этом катодный опорный элемент присоединен к катодному настилу посредством зацепления охватываемой части катодного опорного элемента с охватывающей частью катодного настила.
20. Катодный комплект по п. 1, причем катодный настил содержит первый паз и второй паз, при этом первая катодная плита вставляется в первый паз, и при этом вторая катодная плита садится во второй паз.
21. Катодный комплект по п. 1, причем опорный элемент выполнен из первого материала, и при этом первая катодная плита выполнена из второго материала, причем первый материал отличается от второго материала.
22. Катодный комплект по п. 21, причем первый материал является не смачиваемым алюминием, и при этом второй материал является смачиваемым алюминием.
23. Катодный комплект по п. 22, причем второй материал представляет собой борид металла.
24. Катод для алюминиевого электролизера, содержащий:
опорный блок, имеющий по меньшей мере первую стенку, причем первая стенка имеет угол наклона стенки (бета) от 15 градусов до не более 89 градусов относительно вертикали,
множество плиток, прикрепленных к первой стенке, причем по меньшей мере некоторые из этого множества плиток выполнены из смачиваемого алюминием материала.
25. Катод по п. 24, в котором смачиваемый алюминием материал представляет собой борид металла.
26. Катод по п. 25, в котором борид металла представляет собой борид титана.
27. Способ электролитического производства алюминия, включающий:
(а) механическое прикрепление катодного комплекта к подине алюминиевого электролизера, при этом катодный комплект содержит множество катодных конструкций, при этом по меньшей мере одна катодная конструкция из множества катодных конструкций содержит (а) опорный элемент, имеющий первую стенку и противоположную ей вторую стенку и (б) по меньшей мере две катодные плиты, прикрепленные к упомянутому опорному элементу, при этом первая катодная плита прикреплена к упомянутой первой стенке опорного элемента, при этом вторая катодная плита прикреплена к упомянутой второй стенке опорного элемента, при этом упомянутая по меньшей мере одна катодная конструкция имеет наклонную поверхность по сравнению с горизонтальной плоскостью, при этом наклон катодной конструкции достаточен для течения металлического продукта с верхней или средней части катодной конструкции к нижней части катодной конструкции;
(b) разогрев алюминиевого электролизера;
(с) размещение анодного комплекта в алюминиевом электролизере, при этом анодный комплект содержит множество углеродных анодов, при этом по меньшей мере один анод из множества углеродных анодов содержит анодный профиль, соответствующий наклонной поверхности катодной конструкции.
28. Способ по п. 27, включающий:
нагрев ванны солевого расплава в алюминиевом электролизере так, что после этапа нагрева множество катодных конструкций по меньшей мере частично погружены в ванну солевого расплава;
подачу сырьевого материала в алюминиевый электролизер, при этом сырьевой материал содержит соединение алюминия, и
электролитическое получение алюминия в алюминиевом электролизере.
29. Способ по п. 28, в котором множество катодных конструкций полностью погружены в ванну солевого расплава.
30. Способ по п. 27, в котором этапы (а)-(с) выполняют во время модернизации алюминиевого электролизера.
