СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ БОКОВЫХ СТЕНОК ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
SYSTEMS AND METHODS OF PROTECTING ELECTROLYSIS CELL SIDEWALLS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка на патент является непредварительной и испрашивает приоритет по заявке патент США № 62/048391, поданной 10 сентября 2014 г., которая включена сюда целиком по ссылке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Традиционно боковые стенки электролизера изготовлены из теплопроводных материалов, чтобы вдоль всей боковой стенки (и верхней поверхности ванны) образовывалась настыль, сохраняя целостность электролизера.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В широком смысле настоящее изобретение относится к особенностям боковых стенок (например, внутренней боковой стенки или горячей стороны) электролизера, которые защищают боковую стенку от электролитической ванны во время работы электролизера (например, при производстве металла в электролизере). В частности, такие особенности внутренней боковой стенки обеспечивают непосредственный контакт с металлом, ванной и/или паром в электролизере в отсутствие настыли вдоль всей внутренней боковой стенки или ее части.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] При различных вариантах осуществления настоящего изобретения боковая стенка электролизера заменяется, по меньшей мере отчасти, одной или более боковыми стенками по вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0005] В некоторых вариантах осуществления предусмотрен стабильный материал боковой стенки, который устойчив (например, практически нереакционноспособен) в расплавленном электролите (например, в его ванне в электролизере) при поддержании одного или более компонентов в химическом составе ванны на определенном проценте (уровне) насыщения. В некоторых вариантах осуществления химический состав ванны поддерживают при помощи по меньшей мере одного питателя в электролизере (например, расположенного вдоль боковой стенки), который подает в электролизер питающий материал (например, удерживаемый в виде защитного осадка, располагающегося рядом с боковой стенкой электролизера); в некоторых вариантах осуществления защитный осадок поставляет по меньшей мере один компонент ванны (например, глинозем) в ванну (например, в часть ванны, непосредственно прилегающую к боковой стенке). В качестве неограничивающего примера, по мере медленного растворения защитного осадка химический состав ванны рядом с боковой стенкой находится на уровне насыщения или близком к насыщению по данному компоненту ванны, что обеспечивает защиту боковой стенки от растворения (например, перехода в раствор/разъедания) при взаимодействии с расплавленным электролитом/ванной. В некоторых вариантах осуществления насыщенность ванны по конкретному компоненту ванны (например, глинозему) является функцией концентрации питающего материала (например, глинозема) при условиях работы электролизера (например, температуре, криолитовом отношении и химическом составе и/или содержании ванны).
[0006] В некоторых вариантах осуществления боковые стенки в настоящем изобретении обеспечивают экономию энергии на: по меньшей мере примерно 5%; по меньшей мере примерно 10%; по меньшей мере примерно 15%; по меньшей мере примерно 20%; по меньшей мере примерно 25%; или по меньшей мере примерно 30% по сравнению с традиционной футеровкой из теплопроводного материала.
2
2
2
2
2
2
[0007] В некоторых вариантах осуществления тепловой поток (т.е. потери тепла через боковую стенку электролизера во время работы электролизера) составляет: не более чем примерно 8 кВт/м; не более чем примерно 4 кВт/м; не более чем примерно 3 кВт/м; не более чем примерно 2 кВт/м; не более чем примерно 1 кВт/м; не более чем примерно 0,75 кВт/м.
2
2
2
2
2
2
[0008] В некоторых вариантах осуществления тепловой поток (т.е. потери тепла через боковую стенку электролизера во время работы электролизера) составляет: по меньшей мере примерно 8 кВт/м; по меньшей мере примерно 4 кВт/м; по меньшей мере примерно 3 кВт/м; по меньшей мере примерно 2 кВт/м; по меньшей мере примерно 1 кВт/м; по меньшей мере примерно 0,75 кВт/м.
2
[0009] Напротив, коммерческие электролизеры Холла работают с тепловым потоком через боковую стенку в интервале примерно 8-15 кВт/м.
[0010] В одном аспекте настоящего изобретения представлена система, включающая в себя: электролизер, выполненный с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, содержащей по меньшей мере один компонент ванны, причем электролизер включает: подину и боковую стенку, состоящую по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, причем боковая стенка имеет толщину от 3 мм до не более чем 500 мм; и питающий материал, содержащий упомянутый по меньшей мере один компонент ванны в ванне расплавленного электролита, так что упомянутый по меньшей мере один компонент ванны находится в пределах 90% насыщения, и при этом за счет питающего материала боковая стенка стабильна в ванне расплавленного электролита.
[0011] В некоторых вариантах осуществления насыщение по компоненту ванны составляет: по меньшей мере примерно 95% насыщения. В некоторых вариантах осуществления насыщение по компоненту ванны составляет: не более 100% насыщения.
[0012] В некоторых вариантах осуществления процент насыщения измеряют в месте на расстоянии не более 6 дюймов от боковой стенки.
[0013] В некоторых вариантах осуществления материал боковой стенки образован из материалов, выбранных из группы, состоящей из: Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce-содержащих материалов; металлов Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce; оксидов Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce; галогенидной соли (например, фторидных солей) Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce; оксофторидов Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce; и их сочетаний.
[0014] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и катодом, причем ванна расплавленного электролита имеет химический состав ванны, содержащий по меньшей мере один компонент ванны; корпус электролизера, включающий: подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем корпус электролизера выполнен с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, при этом боковая стенка состоит по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, а также дополнительно включает: первую часть боковой стенки, выполненную установленной на теплоизоляционной футеровке боковой стенки и удерживающей электролит; и вторую часть боковой стенки, выполненную проходящей вверх от подины корпуса электролизера, причем вторая часть боковой стенки продольно разнесена с первой частью боковой стенки, так что первая часть боковой стенки, вторая часть боковой стенки и основание между первой частью и второй частью образуют желоб с шириной от 10 мм до не более чем 500 мм; при этом желоб предназначен для и выполнен с возможностью приема защитного осадка и удерживания этого защитного осадка отдельно от подины электролизера; при этом защитный осадок выполнен с возможностью растворяться из желоба в ванну расплавленного электролита, так что ванна расплавленного электролита содержит такой уровень упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, которого достаточно для сохранения первой части боковой стенки и второй части боковой стенки в ванне расплавленного электролита.
[0015] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и катодом, причем ванна расплавленного электролита имеет химический состав ванны, содержащий по меньшей мере один компонент ванны; корпус электролизера, включающий: подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем корпус электролизера выполнен с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, при этом боковая стенка состоит по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, а также дополнительно включает: первую часть боковой стенки, выполненную установленной на теплоизоляционной футеровке боковой стенки и удерживающей электролит; и вторую часть боковой стенки, выполненную проходящей вверх от подины корпуса электролизера, причем вторая часть боковой стенки продольно разнесена с первой частью боковой стенки, так что первая часть боковой стенки, вторая часть боковой стенки и основание между первой частью и второй частью образуют желоб; при этом вторая часть боковой стенки проходит в такое верхнее положение относительно подины электролизера, что вторая часть боковой стенки перекрывается с первой частью боковой стенки, обеспечивая перекрывание по желобу от примерно 20% до 80% полной высоты стенки электролизера; и при этом желоб предназначен принимать защитный осадок и удерживать этот защитный осадок отдельно от подины электролизера.
[0016] В некоторых вариантах осуществления защитный осадок выполнен с возможностью растворяться из желоба в ванну расплавленного электролита, так что ванна расплавленного электролита содержит такой уровень упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, которого достаточно для сохранения первой части боковой стенки и второй части боковой стенки в ванне расплавленного электролита.
[0017] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя направляющий элемент, причем направляющий элемент расположен между первой частью боковой стенки и второй частью боковой стенки, и при этом направляющий элемент поперечно разнесен над желобом, так что направляющий элемент предназначен для направления защитного осадка в желоб.
[0018] В некоторых вариантах осуществления вторая часть боковой стенки выполнена с совмещением с первой частью боковой стенки по отношению к теплоизоляционной футеровке, при этом вторая часть боковой стенки выполнена выступающей от боковой стенки в ступенчатой конфигурации, и при этом вторая часть боковой стенки имеет верхнюю поверхность и боковую поверхность, которые образуют ступенчатую часть.
[0019] В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность второй части боковой стенки является плоской поверхностью.
[0020] В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность этой части боковой стенки выполнена как наклонная поверхность.
[0021] В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность в сочетании с первой частью боковой стенки выполнены с возможностью взаимодействия и обеспечения углубленной области, предназначенной для удерживания в ней защитного осадка.
[0022] В некоторых вариантах осуществления защитный осадок включает/содержит упомянутый по меньшей мере один компонент ванны.
[0023] В некоторых вариантах осуществления желоб образован питающим блоком, изготовленным из материала, выбранного из компонентов в химическом составе ванны, причем за счет химического состава ванны питающий блок сохраняется в ванне солевого расплава.
[0024] В некоторых вариантах осуществления электролизер или система также выполнены с питателем, причем питатель выполнен с возможностью обеспечивать защитный осадок в желобе.
[0025] В одном аспекте настоящего изобретения представлена система, включающая в себя: электролизер, выполненный с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, содержащей по меньшей мере один компонент ванны, причем электролизер включает: подину (например, катод или слой металла) и боковую стенку, состоящую по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны; и систему питания, предназначенную для подачи питающего материала, включающего упомянутый по меньшей мере один компонент ванны, в ванну расплавленного электролита, так что упомянутый по меньшей мере один компонент ванны находится в пределах примерно 5% от насыщения, при этом за счет питающего материала боковая стенка стабильна в ванне расплавленного электролита.
[0026] В некоторых вариантах осуществления ванна включает питающий материал (например, глинозем) с содержанием выше его предела насыщения (например, таком, что в ванне присутствуют твердые частицы).
[0027] В некоторых вариантах осуществления компонент ванны (например, глинозем) имеет среднее содержание в ванне: в пределах примерно 5% от насыщения; в пределах примерно 2% от насыщения; в пределах примерно 1% от насыщения; в пределах примерно 0,5% от насыщения; на уровне насыщения; или выше уровня насыщения (например, в ванне присутствуют нерастворенные твердые частицы компонента ванны).
[0028] В некоторых вариантах осуществления насыщение по компоненту ванны составляет: по меньшей мере примерно 95% насыщения; по меньшей мере примерно 96% насыщения; по меньшей мере примерно 97% насыщения; по меньшей мере примерно 98% насыщения; по меньшей мере примерно 99% насыщения; при 100% насыщении; или выше уровня насыщения (например, в ванне присутствуют нерастворенные твердые частицы компонента ванны).
[0029] В некоторых вариантах осуществления насыщение по компоненту ванны составляет: не более чем примерно 95% насыщения; не более чем примерно 96% насыщения; не более чем примерно 97% насыщения; не более чем примерно 98% насыщения; не более чем примерно 99% насыщения; или не более чем 100% насыщения.
[0030] В некоторых вариантах осуществления составляющая боковой стенки имеет процент насыщения выше определенного порогового значения насыщения в ванне электролита (например, при рабочих параметрах электролизера).
[0031] В некоторых вариантах осуществления (например, когда составляющей боковой стенки является глинозем), насыщение глиноземом (т.е. средний процент насыщения, %) определяют аналитически при помощи анализа LECO. В некоторых вариантах осуществления (т.е. когда составляющая боковой стенки иная, чем глинозем, например, Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La и Ce) средний процент насыщения количественно определяют методом атомно-абсорбционного анализа (AA), методом индуктивно связанной плазмы (ICP), рентгеновской флуоресценции (XRF) и/или их сочетаний, а также другими общепринятыми аналитическими методиками. В некоторых вариантах осуществления аналитические методы определения процента насыщения стабильного материала включают связанную с этим аналитическим методом ошибку калибровки (например, измерения LECO обычно имеют погрешность +/- 5%).
[0032] В некоторых вариантах осуществления составляющая боковой стенки присутствует в ванне при среднем содержании в процентах от насыщения: по меньшей мере 70% насыщения; по меньшей мере 75% насыщения; по меньшей мере 80% насыщения; по меньшей мере 85% насыщения; по меньшей мере 90% насыщения; по меньшей мере 95% насыщения; по меньшей мере 100% насыщения (т.е. насыщенный электролит); или по меньшей мере 105% насыщения (т.е. выше насыщения).
[0033] В некоторых вариантах осуществления составляющая боковой стенки присутствует в ванне при среднем содержании в процентах от насыщения: не более 70% насыщения; не более 75% насыщения; 80% насыщения; не более 85% насыщения; не более 90% насыщения; не более 95% насыщения; не более 100% насыщения (т.е. насыщенный электролит); или не более 105% насыщения (т.е. выше насыщения).
[0034] В некоторых вариантах осуществления компонент ванны имеет содержание в ванне в процентах от насыщения, измеренное как среднее по электролизеру. В некоторых вариантах осуществления компонент ванны имеет содержание в ванне в процентах от насыщения, измеренное в местоположении, смежном с боковой стенкой (например, инертный/стабильный материал боковой стенки).
[0035] В некоторых вариантах осуществления смежное с боковой стенкой местоположение - это ванна: прикасающаяся к стенке; не далее, чем примерно в 1 дюйме от стенки; не далее, чем примерно в 2 дюймах от стенки, не далее, чем примерно в 4 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 6 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 8 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 10 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 12 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 14 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 16 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 18 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 20 дюймах от стенки; не далее, чем примерно в 22 дюймах от стенки; или не далее, чем примерно в 24 дюймах от стенки.
[0036] В некоторых вариантах осуществления смежное с боковой стенкой местоположение - это ванна: прикасающаяся к стенке; менее, чем примерно в 1 дюйме от стенки; менее, чем примерно в 2 дюймах от стенки, менее, чем примерно в 4 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 6 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 8 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 10 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 12 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 14 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 16 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 18 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 20 дюймах от стенки; менее, чем примерно в 22 дюймах от стенки; или менее, чем примерно в 24 дюймах от стенки.
[0037] В одном аспекте настоящего изобретения представлена система, включающая в себя: корпус электролизера, выполненный с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, содержащей глинозем, причем электролизер включает: подину (например, катод или слой металла) и боковую стенку, состоящую по существу из глинозема; и систему питания, выполненную с возможностью подачи питающего материала, включающего глинозем, в ванну расплавленного электролита, так что содержание глинозема в ванне находится в пределах примерно 10% от насыщения, при этом за счет его содержания в ванне боковая стенка стабильна в ванне расплавленного электролита.
[0038] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и катодом, обладающую химическим составом ванны, содержащим множество компонентов ванны; корпус электролизера, включающий: подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем боковая стенка состоит по существу из по меньшей мере одного компонента ванны в химическом составе ванны, причем химический состав ванны включает этот по меньшей мере один компонент ванны в пределах примерно 10% от предела насыщения для данного компонента, так что за счет химического состава ванны боковая стенка сохраняется на границе раздела боковая стенка-ванна (например, во время работы электролизера).
[0039] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и с химическим составом ванны; корпус электролизера, включающий подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем корпус электролизера выполнен с возможностью контактировать с ванной расплавленного электролита и удерживать ее, и при этом боковая стенка изготовлена из материала, который является компонентом химического состава ванны; и питатель, выполненный с возможностью подачи питания, включающего данный компонент, в ванну расплавленного электролита; при этом с помощью питателя химический состав ванны поддерживается на уровне насыщения или вблизи уровня насыщения по данному компоненту, так что боковая стенка остается стабильной в расплавленном солевом электролите.
[0040] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и катодом, причем ванна расплавленного электролита имеет химический состав ванны, содержащий по меньшей мере один компонент ванны; корпус электролизера, имеющий: подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем корпус электролизера выполнен с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, при этом боковая стенка состоит по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны и дополнительно включает: первую часть боковой стенки, выполненную установленной на теплоизоляционной футеровке боковой стенки и удерживающей электролит; и вторую часть боковой стенки, выполненную проходящей вверх от подины корпуса электролизера, причем вторая часть боковой стенки продольно разнесена с первой частью боковой стенки, так что первая часть боковой стенки, вторая часть боковой стенки и основание между первой частью и второй частью образуют желоб; при этом желоб выполнен с возможностью принимать защитный осадок и удерживать этот защитный осадок отдельно от подины электролизера (например, слоя металла); при этом защитный осадок выполнен с возможностью растворяться из желоба в ванну расплавленного электролита, так что ванна расплавленного электролита содержит такой уровень упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, которого достаточно для сохранения первой части боковой стенки и второй части боковой стенки в ванне расплавленного электролита.
[0041] В одном аспекте настоящего изобретения представлен электролизер, включающий: анод; катод в отстоящем от анода положении; ванну расплавленного электролита в жидкостном сообщении с анодом и катодом, причем ванна расплавленного электролита имеет химический состав ванны, содержащий по меньшей мере один компонент ванны; корпус электролизера, имеющий: подину и по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую подину, причем корпус электролизера выполнен с возможностью удерживания ванны расплавленного электролита, при этом боковая стенка состоит по существу из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны и дополнительно включает: первую часть боковой стенки, выполненную установленной на теплоизоляционной футеровке боковой стенки и удерживающей электролит; и вторую часть боковой стенки, выполненную проходящей вверх от подины корпуса электролизера, причем вторая часть боковой стенки продольно разнесена с первой частью боковой стенки, так что первая часть боковой стенки, вторая часть боковой стенки и основание между первой частью и второй частью образуют желоб; при этом желоб выполнен с возможностью принимать защитный осадок и удерживать этот защитный осадок отдельно от подины электролизера (например, слоя металла); при этом защитный осадок выполнен с возможностью растворяться из желоба в ванну расплавленного электролита так, что ванна расплавленного электролита содержит такой уровень упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны, которого достаточно для сохранения первой части боковой стенки и второй части боковой стенки в ванне расплавленного электролита; и направляющий элемент, причем направляющий элемент расположен между первой частью боковой стенки и второй части боковой стенки, и при этом направляющий элемент поперечно разнесен над желобом, так что направляющий элемент предназначен направлять защитный осадок в желоб.
[0042] В некоторых вариантах осуществления боковая стенка включает первую часть и вторую часть, причем вторая часть выполнена с совмещением с первой частью боковой стенки по отношению к теплоизоляционной футеровке, и при этом вторая часть боковой стенки выполнена отходящей от боковой стенки (например, с профилем боковой стенки) в ступенчатой конфигурации, причем вторая часть боковой стенки имеет верх/верхнюю поверхность и боковую поверхность, которые образуют ступенчатую часть. В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность выполнена обеспечивающей планарную поверхность (например, плоскую или параллельную подине электролизера). В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность выполнена обеспечивающей наклонную/скошенную поверхность, которая наклонена в сторону первой части боковой стенки, так чтобы первая часть боковой стенки и верхняя поверхность второй части боковой стенки совместно образуют углубленную область. В некоторых вариантах осуществления наклонная стабильная боковая стенка наклонена в сторону центра электролизера/слоя металла (от боковой стенки). В некоторых вариантах осуществления электролизер включает питатель, предназначенный для подачи в электролизер питания, которое удерживается вдоль по меньшей мере части плоской верхней поверхности и/или сбоку второй части боковой стенки в виде защитного осадка. В некоторых вариантах осуществления электролизер включает питатель, предназначенный для подачи в электролизер питания, которое удерживается вдоль углубленной области (например, верхней поверхности второй части боковой стенки.)
[0043] В некоторых вариантах осуществления основание содержит упомянутый по меньшей мере один компонент ванны.
[0044] В некоторых вариантах осуществления защитный осадок содержит один компонент ванны (по меньшей мере один). В некоторых вариантах осуществления защитный осадок содержит по меньшей мере два компонента ванны.
[0045] В некоторых вариантах осуществления защитный осадок выступает из желоба вверх до по меньшей мере верхней поверхности ванны электролита.
[0046] В некоторых вариантах осуществления электролизер дополнительно включает в себя направляющий элемент, причем направляющий элемент расположен между первой частью боковой стенки и второй частью боковой стенки, и при этом направляющий элемент расположен над основанием желоба, и при этом направляющий элемент предназначен для направления защитного осадка в желоб. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент выполнен из стабильного материала (например, нереакционноспособного в ванне и/или паровой фазе материала).
[0047] В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент изготовлен из материала, который присутствует в химическом составе ванны, так что за счет химического состава ванны направляющий элемент сохраняется в расплавленном солевом электролите.
[0048] В некоторых вариантах осуществления основание желоба образовано питающим блоком, причем питающий блок изготовлен из материала, выбранного из компонентов в химическом составе ванны, при этом за счет химического состава ванны питающий блок сохраняется в ванне солевого расплава. В некоторых вариантах осуществления питающий блок содержит стабильный материал (нереакционноспособный материал). В некоторых вариантах осуществления питающий блок содержит глинозем.
[0049] В некоторых вариантах осуществления электролизер также включает в себя питатель (например, устройство питания), предназначенный(ое) для обеспечения защитного осадка в желобе.
[0050] В некоторых вариантах осуществления устройство питания закреплено на корпусе электролизера.
[0051] В одном аспекте настоящего изобретения представлен способ, включающий: пропускание тока между анодом и катодом через ванну расплавленного электролита в электролизере, подачу питающего материала в электролизер для пополнения ванны расплавленного электролита по меньшей мере одним компонентом ванны, причем подача происходит со скоростью, достаточной для поддержания содержания в ванне упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны в пределах примерно 95% насыщения; и при помощи стадии подачи сохранение боковой стенки электролизера, изготовленной из материала, включающего упомянутый по меньшей мере один компонент ванны.
[0052] В некоторых вариантах осуществления способ включает: одновременно с первой стадией поддержание ванны при температуре, не превышающей 980°C, при этом боковые стенки электролизеров по существу не имеют настыли.
[0053] В некоторых вариантах способ включает расходование защитного осадка для поступления ионов металла в ванну электролита.
[0054] В некоторых вариантах осуществления способ включает получение металла-продукта из упомянутого по меньшей мере одного компонента ванны.
[0055] Различные из отмеченных выше аспектов изобретения можно скомбинировать для получения различных аппаратов, агрегатов и способов, относящихся к производству первичного металла в электролизерах при низкой температуре (например, менее 980°C).
[0056] Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки изобретения изложены отчасти в последующем описании и станут очевидными специалистам в данной области техники при рассмотрении последующего описания и чертежей, или же могут быть изучены при практической реализации изобретения.
[0057]
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0058] На фиг. 1 показан схематический вид сбоку работающего электролизера со стабильной боковой стенкой (например, из нереакционного материала) в соответствии с настоящим изобретением.
[0059] На фиг. 2 показан схематический вид сбоку работающего электролизера, имеющего первую часть боковой стенки и вторую часть боковой стенки, с питателем, обеспечивающим защитный осадок между этими частями боковой стенки, в соответствии с настоящим изобретением.
[0060] На фиг. 3 показан схематический вид сбоку работающего электролизера, имеющего первую часть боковой стенки и вторую часть боковой стенки, с питателем, обеспечивающим защитный осадок между этими частями боковой стенки, и с направляющим элементом в соответствии с настоящим изобретением.
[0061] На фиг. 4 показан схематический вид сбоку работающего электролизера, имеющего боковую стенку с двумя ее стабильными частями, причем первая часть боковой стенки и вторая часть боковой стенки выполнены прикрепленными к теплоизоляционной футеровке, при этом вторая часть боковой стенки выходит за первую часть боковой стенки (например, выполнена обеспечивающей ступенчатую/расширенную конфигурацию) в соответствии с настоящим изобретением.
[0062] На фиг. 5 показан схематический вид сбоку работающего электролизера, имеющего боковую стенку с двумя ее стабильными частями, причем первая часть боковой стенки и вторая часть боковой стенки выполнены прикрепленными к теплоизоляционной футеровке, при этом вторая часть боковой стенки выходит за первую часть боковой стенки (например, выполнена обеспечивающей ступенчатую/расширенную конфигурацию), включая подаваемый питателем защитный осадок, в соответствии с настоящим изобретением.
[0063] На фиг. 6 показан схематический вид сбоку другого варианта работающего электролизера, имеющего боковую стенку с двумя ее стабильными частями, причем первая часть боковой стенки и вторая часть боковой стенки выполнены прикрепленными к теплоизоляционной футеровке, при этом вторая часть боковой стенки выходит за первую часть боковой стенки (например, выполнена обеспечивающей ступенчатую/расширенную конфигурацию), включая подаваемый питателем защитный осадок, в соответствии с настоящим изобретением.
[0064] На фиг. 7 показан схематический вид сбоку работающего электролизера в соответствии с настоящим изобретением (например, активная боковая стенка по одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения).
[0065] Фиг. 8 - это график, показывающий зависимость скорости растворения глинозема (м/с) в электролитической ванне от процента насыщения глиноземом, построенный при пяти (5) линиях различных температур (750°C, 800°C, 850°C, 900°C и 950°C).
[0066] Фиг. 9 - это график температуры и теплового потока ванны, теплоносителя и настыли на выпуске в зависимости от времени.
[0067] На фиг. 10A-H показан частичный вид сбоку в разрезе защитного осадка с различными углами и дна/основания желоба (иногда называемого питающим блоком) под защитным осадком. Защитный осадок показан с разными углами (наклоненный ко второй части боковой стенки, наклоненный к первой части боковой стенки, плоский, углом и т. д.). Также показано дно/основание желоба с разными углами (наклоненное ко второй части боковой стенки, наклоненное к первой части боковой стенки, плоское, углом и т. д.).
[0068] На фиг. 11A-D показан частичный вид сбоку в разрезе различных конфигураций верхнего уступа и/или второй части боковой стенки. На фиг. 11A показана косая конфигурация, наклоненная к центру электролизера (для способствования стоку из электролизера). На фиг. 11B показана косая конфигурация, наклоненная к боковой стенке (для способствования удерживанию питающего материала в защитном осадке). На фиг. 11C показана конфигурация углом (например, остроконечная). На фиг. 11D показана изогнутая или дугообразная верхняя область уступа или второй части боковой стенки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0069] Теперь будут подробно описаны прилагаемые чертежи, которые по меньшей мере помогают проиллюстрировать различные соответствующие варианты осуществления настоящего изобретения.
[0070] Употребляемый здесь термин «электролиз» означает любой процесс, который приводит к химической реакции при пропускании электрического тока через материал. В некоторых вариантах осуществления электролиз протекает в случае, когда частица металла восстанавливается в электролизере с получением продукта-металла. Некоторые неограничивающие примеры электролиза включают производство первичного металла. Некоторые неограничивающие примеры получаемых электролизом металлов включают: редкоземельные металлы, цветные металлы (например, медь, никель, цинк, магний, свинец, титан, алюминий и редкоземельные металлы).
[0071] Употребляемый здесь термин «электролизер» означает устройство для проведения электролиза. В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя электролизную ванну, или ряд электролизных ванн (например, множество электролизных ванн). В одном неограничивающем примере электролизер оснащен электродами, служащими проводником, через который ток входит в или выходит из неметаллической среды (например, ванны электролита).
[0072] Употребляемый здесь термин «электрод» означает положительно заряженные электроды (например, аноды) или отрицательно заряженные электроды (например, катоды).
[0073] Употребляемый здесь термин «анод» означает положительный электрод (или токоподвод), через который ток попадает в электролизер. В некоторых вариантах осуществления аноды изготовлены из электропроводных материалов. Некоторые неограничивающие примеры анодных материалов включают: металлы, сплавы металлов, оксиды, керамики, керметы, углерод и их сочетания.
[0074] Употребляемый здесь термин «анодный узел» включает один или более анод(ов), соединенный(х) с опорой. В некоторых вариантах осуществления анодный узел включает: аноды, опору (например, огнеупорный блок и другие устойчивые к воздействию ванны материалы) и электрическую шину.
[0075] Употребляемый здесь термин «опора» означает элемент, который удерживает другой объект (объекты) на месте. В некоторых вариантах осуществления опора - это конструкция, удерживающая на месте анод(ы). В одном варианте осуществления опора способствует электрическому подключению электрической шины к аноду(ам). В одном варианте осуществления опора изготовлена из материала, устойчивого к корродирующему воздействию ванны электролита. Например, опора изготовлена из изолирующего материала, включая, например, огнеупорный материал. В некоторых вариантах осуществления многочисленные аноды соединены (например, механически и электрически) с опорой (например, съемно прикреплены к ней), которая является регулируемой и может подниматься, опускаться или иным образом перемещаться в электролизере.
[0076] Употребляемый здесь термин «электрическая шина» относится к электрическим соединителям одного или более компонентов. Например, анод, катод и/или другие компоненты электролизера могут иметь электрическую шину для соединения этих компонентов друг с другом. В некоторых вариантах осуществления электрическая шина включает штыревые соединители в анодах, токопроводы для подсоединения анодов и/или катодов, электрические цепи для различных компонентов электролизера (или между ними) и их сочетания.
2
2
2
[0077] Употребляемый здесь термин «катод» означает отрицательный электрод или токоотвод, по которому ток выходит из электролизера. В некоторых вариантах осуществления катоды изготовлены из электропроводного материала. Некоторые неограничивающие примеры катодного материала включают: углерод, кермет, керамический(е) материал(ы), металлический(е) материал(ы) и их сочетания. В одном варианте осуществления катод выполнен из боридного соединения переходного металла, например, TiB. В некоторых вариантах осуществления катод электрически подсоединен через подину электролизера (например, через токоотводящий стержень и электрическую шину). В качестве некоторых неограничивающих примеров, катоды изготовлены из: TiB, композитных материалов TiB-C, нитрида бора, боридов циркония, боридов гафния, графита и их сочетаний.
[0078] Употребляемый здесь термин «катодный узел» относится к катоду (например, катодному блоку), токоотводящему стержню, электрической шине и их сочетаниям.
[0079] Употребляемый здесь термин «токоотводящий стержень» относится к тому стержню, который отводит ток из электролизера. В одном неограничивающем примере токоотводящий стержень собирает и отводит ток с катода и переносит ток к электрической шине для отвода тока из системы.
3
3
2
2
[0080] Употребляемый здесь термин «ванна электролита» относится к переведенной в жидкое состояние ванне электролита с по меньшей мере одной разновидностью восстанавливающегося металла (например, в процессе электролиза). Неограничивающий пример состава ванны электролита включает: NaF-AlF (в алюминиевом электролизере), NaF, AlF, CF, MgF, LiF, KF и их сочетания – с растворенным глиноземом.
[0081] Употребляемый здесь термин «расплавленный» означает находящийся в текучем состоянии (например, жидкость) в результате подвода тепла. В качестве неограничивающего примера ванна электролита находится в расплавленном виде (например, при по меньшей мере примерно 750°C). В другом примере продукт-металл, образующийся на подине электролизера (например, иногда называемый «слоем металла»), находится в расплавленном виде.
[0082] В некоторых вариантах осуществления рабочая температура ванны расплавленного электролита/электролизера составляет: по меньшей мере примерно 750°C; по меньшей мере примерно 800°C; по меньшей мере примерно 850°C; по меньшей мере примерно 900°C; по меньшей мере примерно 950°C; или по меньшей мере примерно 975°C. В некоторых вариантах осуществления рабочая температура ванны расплавленного электролита/электролизера составляет: не более чем примерно 750°C; не более чем примерно 800°C; не более чем примерно 850°C; не более чем примерно 900°C; не более чем примерно 950°C; или не более чем примерно 980°C.
[0083] Употребляемый здесь термин «продукт-металл» означает продукт, который получают электролизом. В одном варианте осуществления продукт-металл образуется на подине электролизера в виде слоя металла. Некоторые неограничивающие примеры продуктов-металлов включают: алюминий, никель, магний, медь, цинк и редкоземельные металлы.
[0084] Употребляемый здесь термин «боковая стенка» означает стенку электролизера. В некоторых вариантах осуществления боковая стенка проходит по периметру вокруг подины электролизера и простирается вверх от подины электролизера, образуя корпус электролизера и ограничивая тот объем, в котором содержится ванна электролита. В некоторых вариантах осуществления боковая стенка включает: внешний кожух, теплоизоляционную футеровку и внутреннюю стенку. В некоторых вариантах осуществления внутренняя стенка и подина электролизера предназначены контактировать и удерживать ванну расплавленного электролита, питающий материал, подаваемый в ванну (т.е. для осуществления электролиза) и продукт-металл (например, слой металла). В некоторых вариантах осуществления боковая стенка (внутренняя боковая стенка) включает нереакционноспособную часть боковой стенки (например, стабильную часть боковой стенки).
[0085] Употребляемый здесь термин «косой» означает угол между двумя поверхностями. В некоторых вариантах осуществления поверхности образуют острый или тупой угол. В некоторых вариантах осуществления «косой» относится к углу, который близок к или равен прямому углу или почти нулевому углу, т.е. поверхности выглядят непрерывными (например, 180°). В некоторых вариантах осуществления часть боковой стенки (внутренняя стенка) является косой или наклонена в сторону подины электролизера. В некоторых вариантах осуществления вся боковая стенка является косой относительно подины электролизера. В некоторых вариантах осуществления материал стабильной боковой стенки имеет скошенную верхнюю часть (т.е. скошенную в сторону слоя металла/дна электролизера (что способствует стеканию продукта-металла на подину электролизера).
[0086] В некоторых вариантах осуществления вся стенка является косой. В некоторых вариантах осуществления часть стенки (первая часть боковой стенки, вторая часть боковой стенки, уступ, желоб, направляющий элемент) является косой(ым) (или скошенной(ым), наклонной(ым), криволинейной(ым), дугообразной(ым)).
[0087] В некоторых вариантах осуществления уступ является косым. В некоторых вариантах осуществления вторая часть боковой стенки является косой. Без ограничения какой-либо конкретной теорией или механизмом считаем, что при выполнении боковой стенки (первой части боковой стенки, второй части боковой стенки, желоба или уступа) в косой конфигурации возможно способствовать определенным характеристикам электролизера в процессе работы (например, стоку металла, направлению питающего материала в электролизер/к подине электролизера). В качестве неограничивающего примера, при обеспечении косой боковой стенки, эта боковая стенка предназначена для содействия улавливанию питающего материала в защитный осадок в желобе или на уступе (например, наклоненном в ту сторону или выполненном так, чтобы способствовать стоку металла на подину электролизера).
[0088] В некоторых вариантах осуществления первая часть боковой стенки является косой (наклонной/скошенной), а вторая часть боковой стенки не является наклонной. В некоторых вариантах осуществления первая часть боковой стенки не является наклонной, а вторая часть боковой стенки является наклонной. В некоторых вариантах осуществления и первая часть боковой стенки, и вторая часть боковой стенки являются косыми (наклонными/скошенными).
[0089] В некоторых вариантах осуществления основание (или питающий блок) является косым (скошенным или наклонным). В некоторых вариантах осуществления верхняя часть уступа/желоба или вторая часть боковой стенки является наклонной, скошенной, плоской, косой или изогнутой.
[0090] Употребляемый здесь термин «угол наклона стенки» означает угол наклона внутренней боковой стенки относительно подины электролизера, измеряемый в градусах. Например, угол наклона стенки в 0 градусов относится к вертикальному углу (или отсутствию наклона). В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки составляет: угол (тета) от 0 градусов до примерно 30 градусов. В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки составляет угол (тета) от 0 градусов до 60 градусов. В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки составляет угол (тета) от 0 градусов до 85 градусов.
[0091] В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки (тета) составляет: по меньшей мере примерно 5°; по меньшей мере примерно 10°; по меньшей мере примерно 15°; по меньшей мере примерно 20°; по меньшей мере примерно 25°; по меньшей мере примерно 30°; по меньшей мере примерно 35°; по меньшей мере примерно 40°; по меньшей мере примерно 45°; по меньшей мере примерно 50°; по меньшей мере примерно 55°; или по меньшей мере примерно 60°. В некоторых вариантах осуществления угол наклона стенки (тета) равен: не более чем примерно 5°; не более чем примерно 10°; не более чем примерно 15°; не более чем примерно 20°; не более чем примерно 25°; не более чем примерно 30°; не более чем примерно 35°; не более чем примерно 40°; не более чем примерно 45°; не более чем примерно 50°; не более чем примерно 55°; или не более чем примерно 60°.
[0092] Употребляемый здесь термин «внешний кожух» означает самую наружную часть защитного покрова боковой стенки. В одном варианте осуществления внешний кожух - это защитный покров внутренней стенки электролизера. В качестве неограничивающих примеров внешний кожух изготовлен из твердого материала, который окружает электролизер (например, стали).
[0093] Употребляемый здесь термин «первая часть боковой стенки» означает часть внутренней боковой стенки.
[0094] Употребляемый здесь термин «вторая часть боковой стенки» означает другую часть внутренней боковой стенки. В некоторых вариантах осуществления вторая часть находится на расстоянии от первой части (например, разнесена с ней продольно). В качестве неограничивающего примера вторая часть боковой стенки представляет собой стоящий элемент с некоторой длиной и шириной, причем вторая часть разнесена с первой частью.
[0095] В некоторых вариантах осуществления вторая часть действует совместно с первой частью, удерживая материал или объект (например, защитный осадок).
2
3
2
2
3
4
[0096] В некоторых вариантах осуществления вторая часть имеет постоянную высоту, тогда как в других вариантах осуществления высота второй части переменная. В одном варианте осуществления вторая часть выполнена из материала, устойчивого к агрессивной среде ванны и устойчивого к продукту-металлу (например, слою металла), а значит, не разрушается или иным образом не реагирует в ванне. В некоторых неограничивающих примерах стенка изготовлена из: AlO, TiB, TiB-C, SiC, SiN, BN, компонента ванны, который находится на уровне или вблизи насыщения в химическом составе ванны (например, глинозема), и их сочетаний.
[0097] В некоторых вариантах осуществления вторая часть изготовлена литьем, горячим прессованием или спеканием с приданием желательных размеров, теоретической плотности, пористости и т. д. В некоторых вариантах осуществления вторая часть закреплена на одном или более конструктивных элементах электролизера для удерживания второй части на месте.
[0098] Употребляемый здесь термин «направляющий элемент» означает элемент, который выполнен с возможностью направления объекта или материала конкретным образом. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент предназначен и выполнен с возможностью направлять питающий материал в желоб (например, для его удерживания в желобе в виде защитного осадка). В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент подвешен в электролизере между первой частью боковой стенки и второй частью боковой стенки и над желобом для направления потока питающего материала в желоб. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент изготовлен из материала (по меньшей мере одного компонента ванны), который присутствует в химическом составе ванны на уровне или вблизи насыщения, так что направляющий элемент сохраняется в ванне. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент выполнен с возможностью прикрепления к раме (например, из устойчивого в ванне материала), причем рама предназначена для регулировки направляющего элемента в электролизере (т.е. перемещения направляющего элемента в направлении вбок (например, вверх или вниз по высоте электролизера) и/или продольного перемещения направляющего элемента (например, влево или вправо по отношению к желобу/подине электролизера).
[0099] В некоторых вариантах осуществления размер и/или местоположение направляющего элемента выбирают для обеспечения определенной конфигурации защитного осадка и/или заданного режима течения питающего материала в желоб. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент закреплен на анодном узле. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент закреплен на боковой стенке электролизера. В некоторых вариантах осуществления направляющий элемент закреплен на питателе (например, раме, удерживающей питатель в нужном положении). В качестве неограничивающих примеров направляющий элемент включает пластину, стержень, блок, элемент удлиненной формы и их сочетания. Некоторые неограничивающие примеры материалов направляющего элемента включают: анодные материалы; SiC; SiN; и/или компоненты, присутствующие в ванне на уровне или вблизи насыщения, так что направляющий элемент сохраняется в ванне.
[00100] Употребляемый здесь термин «разнесены продольно» означает расположение одного объекта на расстоянии от другого объекта по длине.
[00101] В некоторых вариантах осуществления «разнесены поперечно» (т.е. вторая часть боковой стенки с первой частью боковой стенки – или желобом) означает разнесение на: по меньшей мере 1 дюйм, по меньшей мере 1 1/2 дюйма, по меньшей мере 2 дюйма, по меньшей мере 2 1/2 дюйма, по меньшей мере 3 дюйма, по меньшей мере 3 1/2 дюйма, по меньшей мере 4 дюйма, по меньшей мере 4 1/2 дюйма, по меньшей мере 5 дюймов, по меньшей мере 5 1/2 дюйма, по меньшей мере 6 дюймов, по меньшей мере 6 1/2 дюйма, по меньшей мере 7 дюймов, по меньшей мере 7 1/2 дюйма, по меньшей мере 8 дюймов, по меньшей мере 8 1/2 дюйма, по меньшей мере 9 дюймов, по меньшей мере 9 1/2 дюйма, по меньшей мере 10 дюймов, по меньшей мере 10 1/2 дюйма, по меньшей мере 11 дюймов, по меньшей мере 11 1/2 дюйма, по меньшей мере 12 дюймов.
[00102] В некоторых вариантах осуществления «разнесены поперечно» (т.е. вторая часть боковой стенки с первой частью боковой стенки – или желобом) означает разнесение на: не более чем 1 дюйм, не более чем 1 1/2 дюйма, не более чем 2 дюйма, не более чем 2 1/2 дюйма, не более чем 3 дюйма, не более чем 3 1/2 дюйма, не более чем 4 дюйма, не более чем 4 1/2 дюйма, не более чем 5 дюймов, не более чем 5 1/2 дюйма, не более чем 6 дюймов, не более чем 6 1/2 дюйма, не более чем 7 дюймов, не более чем 7 1/2 дюйма, не более чем 8 дюймов, не более чем 8 1/2 дюйма, не более чем 9 дюймов, не более чем 9 1/2 дюйма, не более чем 10 дюймов, не более чем 10 1/2 дюйма, не более чем 11 дюймов, не более чем 11 1/2 дюйма, не более чем 12 дюймов.
[00103] Употребляемый здесь термин «разнесены поперечно» означает расположение одного объекта на расстоянии от другого объекта по ширине.
[00104] В некоторых вариантах осуществления первая часть боковой стенки установлена на заданном расстоянии от второй части боковой стенки, образуя желоб (т.е. определяя ширину желоба). В некоторых вариантах осуществления ширина желоба составляет от 10 мм до не более чем 500 мм. В некоторых вариантах осуществления ширина желоба составляет от 50 мм до не более чем 200 мм. В некоторых вариантах осуществления ширина желоба составляет от 75 мм до не более чем 150 мм.
[00105] В некоторых вариантах осуществления желоб (например, ширина желоба) составляет: по меньшей мере 10 мм; по меньшей мере 20 мм; по меньшей мере 30 мм; по меньшей мере 40 мм; по меньшей мере 50 мм; по меньшей мере 60 мм; по меньшей мере 70 мм; по меньшей мере 80 мм; по меньшей мере 90 мм; по меньшей мере 100 мм; по меньшей мере 110 мм; по меньшей мере 120 мм; по меньшей мере 130 мм; по меньшей мере 140 мм; по меньшей мере 150 мм; по меньшей мере 160 мм; по меньшей мере 170 мм; по меньшей мере 180 мм; по меньшей мере 190 мм; по меньшей мере 200 мм; по меньшей мере 210 мм; по меньшей мере 220 мм; по меньшей мере 230 мм; по меньшей мере 240 мм; по меньшей мере 250 мм; по меньшей мере 260 мм; по меньшей мере 270 мм; по меньшей мере 280 мм; по меньшей мере 290 мм; по меньшей мере 300 мм; по меньшей мере 310 мм; по меньшей мере 320 мм; по меньшей мере 330 мм; по меньшей мере 340 мм; по меньшей мере 350 мм; по меньшей мере 360 мм; по меньшей мере 370 мм; по меньшей мере 380 мм; по меньшей мере 390 мм; по меньшей мере 400 мм; по меньшей мере 410 мм; по меньшей мере 420 мм; по меньшей мере 430 мм; по меньшей мере 440 мм; по меньшей мере 450 мм; по меньшей мере 460 мм; по меньшей мере 470 мм; по меньшей мере 480 мм; по меньшей мере 490 мм; или по меньшей мере 500 мм.
[00106] В некоторых вариантах осуществления желоб (например, ширина желоба) составляет: не более 10 мм; не более 20 мм; не более 30 мм; не более 40 мм; не более 50 мм; не более 60 мм; не более 70 мм; не более 80 мм; не более 90 мм; не более 100 мм; не более 110 мм; не более 120 мм; не более 130 мм; не более 140 мм; не более 150 мм; не более 160 мм; не более 170 мм; не более 180 мм; не более 190 мм; не более 200 мм; не более 210 мм; не более 220 мм; не более 230 мм; не более 240 мм; не более 250 мм; не более 260 мм; не более 270 мм; 280 мм; не более 290 мм; по меньшей мере 300 мм; по меньшей мере 310 мм; по меньшей мере 320 мм; по меньшей мере 330 мм; не более 340 мм; не более 350 мм; не более 360 мм; не более 370 мм; не более 380 мм; не более 390 мм; не более 400 мм; не более 410 мм; не более 420 мм; не более 430 мм; не более 440 мм; не более 450 мм; не более 460 мм; не более 470 мм; не более 480 мм; не более 490 мм; или не более 500 мм.
[00107] Употребляемое здесь выражение «по меньшей мере» означает больше или равно.
[00108] Употребляемое здесь выражение «не более чем» означает меньше или равно.
[00109] Употребляемый здесь термин «желоб» означает приемник для удерживания чего-либо. В одном варианте осуществления желоб образован первой частью боковой стенки, второй частью боковой стенки и основанием (или подиной электролизера). В некоторых вариантах осуществления желоб удерживает защитный осадок. В некоторых вариантах осуществления желоб удерживает питающий материал в виде защитного осадка, так что желоб предназначен для предотвращения перемещения защитного осадка в электролизере (т.е. в слой металла и/или электродную часть электролизера).
[00110] В некоторых вариантах осуществления желоб содержит материал (по меньшей мере один компонент ванны), который присутствует в химическом составе ванны на уровне или вблизи насыщения, так что он сохраняется в ванне.
[00111] В некоторых вариантах осуществления желоб также имеет высоту (например, по отношению к боковой стенке). В качестве неограничивающих вариантов осуществления высота желоба (измеренная от подины электролизера до границы раздела ванна/пар составляет: по меньшей мере 1/4 дюйма, по меньшей мере 1/2 дюйма, по меньшей мере 3/4 дюйма, по меньшей мере 1 дюйм, по меньшей мере 1 1/4 дюйма, по меньшей мере 1 1/2 дюйма, по меньшей мере 1 3/4 дюйма, по меньшей мере 2 дюйма, по меньшей мере 2 1/4 дюйма, по меньшей мере 2 1/2 дюйма, по меньшей мере 2 3/4 дюйма, по меньшей мере 3 дюйма, по меньшей мере 3 1/4 дюйма, по меньшей мере 3 1/2 дюйма, по меньшей мере 3 3/4 дюйма, по меньшей мере 4 дюйма, по меньшей мере 4 1/4 дюйма, по меньшей мере 4 1/2 дюйма, по меньшей мере 4 3/4 дюйма, по меньшей мере 5 дюймов, 5 1/4 дюйма, по меньшей мере 5 1/2 дюйма, по меньшей мере 5 3/4дюйма или по меньшей мере 6 дюймов. В некоторых вариантах осуществления высота желоба составляет: по меньшей мере 6 дюймов, по меньшей мере 12 дюймов, по меньшей мере 18 дюймов, по меньшей мере 24 дюйма или по меньшей мере 30 дюймов.
[00112] В качестве неограничивающих вариантов осуществления высота желоба (измеренная от подины электролизера до границы раздела ванна/пар составляет: не более 1/4 дюйма, не более 1/2 дюйма, не более 3/4 дюйма, не более 1 дюйма, не более 1 1/4 дюйма, не более 1 1/2 дюйма, не более 1 3/4 дюйма, не более 2 дюйма, не более 2 1/4 дюйма, не более 2 1/2 дюйма, не более 2 3/4 дюйма, не более 3 дюйма, 3 1/4 дюйма, не более 3 1/2 дюйма, не более 3 3/4 дюйма, не более 4 дюймов, 4 1/4 дюйма, не более 4 1/2 дюйма, не более 4 3/4 дюйма, не более 5 дюймов, 5 1/4 дюйма, не более 5 1/2 дюйма, не более 5 3/4 дюйма или не более 6 дюймов.
[00113] В некоторых вариантах осуществления высота желоба составляет: не более 6 дюймов; не более 12 дюймов; не более 18 дюймов; не более 24 дюймов; или не более 30 дюймов.
[00114] В некоторых вариантах осуществления вторая часть боковой стенки проходит в такое вертикальное положение (т.е. по отношению к подине электролизера), что вторая часть боковой стенки перекрывается на заданном расстоянии с первой частью боковой стенки (т.е. определяя тот участок, где две части боковой стенки перекрываются, образуя общее «перекрывание по желобу»). В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу количественно определяется по перекрыванию относительно полной высоты стенки электролизера (например, выраженному в перерасчете на проценты). В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу составляет от 0% до не более чем 90% от полной высоты стенки электролизера. В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу составляет от 20% до не более чем 80% от полной высоты стенки электролизера. В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу составляет от 40% до не более чем 60% от полной высоты стенки электролизера.
[00115] В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу составляет: 0% (т.е. перекрывание отсутствует); по меньшей мере 5% от полной высоты стенки; по меньшей мере 10% от полной высоты стенки; по меньшей мере 15% от полной высоты стенки; по меньшей мере 20% от полной высоты стенки; по меньшей мере 25% от полной высоты стенки; по меньшей мере 30% от полной высоты стенки; по меньшей мере 35% от полной высоты стенки; по меньшей мере 40% от полной высоты стенки; по меньшей мере 45% от полной высоты стенки; по меньшей мере 50% от полной высоты стенки; по меньшей мере 55% от полной высоты стенки; по меньшей мере 60% от полной высоты стенки; по меньшей мере 65% от полной высоты стенки; по меньшей мере 70% от полной высоты стенки; по меньшей мере 75% от полной высоты стенки; по меньшей мере 80% от полной высоты стенки; по меньшей мере 85% от полной высоты стенки; или по меньшей мере 90% от полной высоты стенки.
[00116] В некоторых вариантах осуществления перекрывание по желобу составляет: 0% (т.е. перекрывание отсутствует); не более 5% от полной высоты стенки; не более 10% от полной высоты стенки; не более 15% от полной высоты стенки; не более 20% от полной высоты стенки; не более 25% от полной высоты стенки; не более 30% от полной высоты стенки; не более 35% от полной высоты стенки; не более 40% от полной высоты стенки; не более 45% от полной высоты стенки; не более 50% от полной высоты стенки; не более 55% от полной высоты стенки; не более 60% от полной высоты стенки; не более 65% от полной высоты стенки; не более 70% от полной высоты стенки; не более 75% от полной высоты стенки; не более 80% от полной высоты стенки; не более 85% от полной высоты стенки; или не более 90% от полной высоты стенки.
[00117] Употребляемый здесь термин «защитный осадок» относится к скоплению материала, защищающего другой объект или материал. В качестве неограничивающего примера «защитный осадок» относится к питающему материалу, который удерживается в желобе. В некоторых вариантах осуществления защитный осадок представляет собой: твердое (сплошное) вещество; твердые частицы; шлaм; взвесь; и/или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления защитный осадок растворяется в ванне (например, из-за коррозионной природы ванны) и/или расходуется в процессе электролиза. В некоторых вариантах осуществления защитный осадок удерживается в желобе, между первой частью боковой стенки и второй частью боковой стенки. В некоторых вариантах осуществления защитный осадок предназначен отталкивать слой металла (расплавленный металл) от боковой стенки, что защищает боковую стенку от воздействия границы раздела ванна/металл. В некоторых вариантах осуществления защитный осадок растворяется в ванне, обеспечивая насыщение у стенки электролизера или вблизи нее, что сохраняет стабильный/нереакционноспособный материал боковой стенки (т.е. состоящий из компонента ванны на уровне или вблизи насыщения). В некоторых вариантах осуществления защитный осадок имеет угол осадка (например, защитный осадок принимает некоторую форму по мере его накопления в желобе), достаточный для защиты боковой стенки и обеспечения питающего материала в ванну для растворения.
[00118] Употребляемый здесь термин «питающий материал» означает материал, который представляет собой питание, что содействует протеканию дальнейших процессов. В качестве неограничивающего примера питающий материал - это оксид металла, который обеспечивает электролитическое получение редкоземельных и/или цветных металлов (например, продуктов-металлов) в электролизере. В некоторых вариантах осуществления питающий материал после растворения или какого-либо другого расходования поставляет в электролитическую ванну дополнительный исходный материал (сырьем), из которого за счет восстановления в электролизере получается оксид металла, образуя продукт-металл. В некоторых вариантах осуществления питающий материал выполняет две неограничивающих функции: (1) подпитку реакционных условий электролизера для производства продукта-металла; и (2) формирования питающего осадка в канале между стенкой у внутренней боковой стенки для защиты внутренней боковой стенки от агрессивной среды ванны. В некоторых вариантах осуществления питающий материал содержит глинозем в алюминиевом электролизере. Некоторые неограничивающие примеры питающего материала при выплавке алюминия включают: глинозем плавильных сортов или металлургический (SGA), глинозем, пластинчатый глинозем и их сочетания. При выплавке других металлов (не алюминия) питающие материалы, обеспечивающие протекание таких реакций, легко определяются в соответствии с настоящим описанием. В некоторых вариантах осуществления питающий материал обладает достаточным размером и плотностью для перехода от границы раздела ванна/воздух через ванну в желоб с образованием защитного осадка.
[00119] Употребляемый здесь термин «средний размер частиц» относится к среднему размеру множества отдельных частиц. В некоторых вариантах осуществления питающий материал находится в дисперсной форме (в виде твердых частиц) со средним размером частиц. В одном варианте осуществления средний размер частиц питающего материала достаточно велик для того, чтобы этот материал оседал на подину электролизера (а, например, не суспендировался в ванне и не "плавал" каким-либо иным образом в ванне). В одном варианте осуществления средний размер частиц достаточно мал, чтобы имела место достаточная площадь поверхности для поверхностных реакций/растворения (например, скорости расходования).
[00120] Употребляемый здесь термин «скорость подачи» означает определенное количество (или величину) питания в единицу времени. В качестве неограничивающего примера скорость подачи - это скорость добавления питающего материала в электролизер. В некоторых вариантах осуществления размер и/или положение защитного осадка является функцией скорости подачи. В одном варианте осуществления скорость подачи постоянна. В другом варианте осуществления скорость подачи является регулируемой. В некоторых вариантах осуществления подача является непрерывной. В некоторых вариантах осуществления подача осуществляется с перерывами.
[00121] Употребляемый здесь термин «скорость расходования» означает определенное количество (или величину) использования материала в единицу времени. В одном варианте осуществления скорость расходования - это скорость, с которой питающий материал потребляется электролизером (например, ванной и/или расходуется на образование продукта-металла).
[00122] В некоторых вариантах осуществления скорость подачи выше, чем скорость расходования. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи предназначена обеспечивать наличие защитного осадка выше границы раздела ванна/воздух.
[00123] Употребляемый здесь термин «питатель» (иногда называемый питающим устройством) относится к тому устройству, которое вводит материал (например, питание) в некоторую емкость. В одном варианте осуществления питатель - это устройство, которое подает питающий материал в электролизер. В некоторых вариантах осуществления питатель является автоматическим, ручным или их сочетанием. В качестве неограничивающих примеров питатель - это навесной питатель или точечный питатель. Употребляемый здесь термин «навесной питатель» относится к питателю, который перемещается вдоль боковой стенки (например, с помощью самоходной машины) для распределения питающего материала. В одном варианте осуществления навесной питатель подвижно закреплен так, что он перемещается вдоль по меньшей мере одной боковой стенки электролизера.
[00124] Употребляемый здесь термин «точечный питатель» относится к питателю, стационарно закрепленному на боковой стенке для распределения питающего материала в электролизер. В некоторых вариантах осуществления питатель закреплен на боковой стенке при помощи закрепляющего устройства. Неограничивающие примеры включают скобы и т. д.
[00125] В некоторых вариантах осуществления питатель является автоматическим. Употребляемый здесь термин «автоматический» означает способность работать независимо (например, под управлением машины или компьютера). В некоторых вариантах осуществления питатель является ручным. Употребляемый здесь термин «ручной» означает работающий за счет усилий человека.
[00126] Употребляемый здесь термин «питающий блок» относится к питающему материалу в твердой форме (например, литому, спеченному, горячепрессованному или их сочетаниям). В некоторых вариантах осуществления основание желоба содержит питающий блок. В неограничивающем примере питающий блок изготовлен из глинозема.
[00127] Употребляемый здесь термин «стабильный» означает материал, который является в общем нереакционноспособным и/или сохраняет свои свойства в данной среде. В некоторых вариантах осуществления материал боковой стенки стабилен (или нереакционноспособен, как указано ниже) в среде электролизера с учетом условий и параметров работы электролизера.
[00128] Не ограничиваясь какими-то конкретными механизмом или теорией, если среда в электролизере поддерживается/сохраняется постоянной (в том числе, например, поддерживание питающего материала в электролизере на насыщении при конкретной системе электролизера), и ванна насыщена, то материал боковой стенки действительно стабилен, ведь он не вступает в реакции и не растворяется в ванне. Однако в работающем электролизере сложно, если не невозможно, поддерживать постоянные параметры работы электролизера, поскольку работающий электролизер характеризуется постоянным изменением (хотя бы по мере электрохимического восстановления питающего материала до продута-металла). Без ограничения конкретными механизмом или теорией считается, что тепловой поток меняется (поскольку протекание тока и отклонения любых других процессов изменят температуру электролизера/ванны); все время меняется поток питания, даже при оптимизированном распределении, поскольку различные положения подачи и/или скорости подачи влияют на растворимость (т.е. стабильного(ых) материала(ов)) по всему электролизеру; и аналитические инструменты и способы количественного определения и контроля процессов в электролизере по своей природе обладают некоторой характерной погрешностью при калибровке пределов растворения (например, метод LEGO, применяемый для определения содержания глинозема в электролизере, обладает погрешностью +/- 5%).
[00129] В некоторых вариантах осуществления стабильные материалы и/или нереакционноспособные материалы боковой стенки не реагируют и не разрушаются (например, в случае, когда ванна находится в состоянии насыщения по данному конкретному материалу). В других вариантах осуществления стабильные материалы и/или нереакционноспособные материалы претерпевают в некоторой степени растворение (т.е. в пределах заданного порогового уровня), так что материал боковой стенки не выводит электролизер из строя во время электролиза и работы электролизера (т.е. продолжает удерживать расплавленный электролит). В этом варианте осуществления, при неизбежном изменении содержания питающего материала в ванне (т.е. в расчете на % насыщения) в зависимости от работы электролизера, растворение тоже либо прекращается, либо начинается, и/или скорость растворения стабильного материала боковой стенки снижается или возрастает. В некоторых вариантах осуществления стабильная боковая стенка сохраняется посредством модулирования растворения. В некоторых вариантах осуществления растворение модулируют в приемлемых пределах (например, небольшие количества и/или отсутствие растворения) за счет контролируемой скорости подачи питания и/или мест подачи питания (например, для влияния на % насыщения по питающему материалу в ванне).
[00130] В некоторых вариантах осуществления катионы таких составляющих материалов (Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La и Ce) электрохимически менее благородные, чем производимый металл, так что они не расходуются при электролизе. Другими словами, поскольку электрохимический потенциал этих материалов более отрицателен, чем у алюминия, в алюминиевом электролизере эти материалы менее склонны восстанавливаться. Употребляемый здесь термин «нереакционноспособная боковая стенка» относится к боковой стенке, которая изготовлена из или имеет в своем составе материал (например, покрыта им), который стабилен (например, нереакционноспособен, инертен, размерно устойчив и/или сохраняется) в ванне расплавленного электролита при рабочих температурах электролизера (например, выше 750°C до не более чем 980°C). В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал боковой стенки сохраняется в ванне за счет химического состава ванны. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал боковой стенки стабилен в ванне электролита, поскольку ванна содержит этот нереакционноспособный материал боковой стенки в качестве своего компонента в концентрации на уровне или вблизи его предела насыщения в ванне. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал боковой стенки содержит по меньшей мере один компонент, присутствующий в химическом составе ванны. В некоторых вариантах осуществления химический состав ванны сохраняется путем подачи питающего материала в ванну, что позволяет поддерживать химический состав ванны на уровне или вблизи насыщения по нереакционноспособному материалу боковой стенки, таким образом сохраняя материал боковой стенки в ванне.
[00131] Некоторые неограничивающие примеры нереакционноспособных материалов боковой стенки включают: Al; Li; Na; K; Rb; Cs; Be; Mg; Ca; Sr; Ba; Sc; Y; La; или Ce-содержащие материалы и их сочетания. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал - это оксид вышеприведенных примеров. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал - это галогенидная соль и/или фторид вышеприведенных примеров. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал - это оксофторид вышеприведенных примеров. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособный материал - это металл в чистом виде вышеприведенных примеров. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособным материалом боковой стенки выбран материал (например, Ca, Mg), который обладает более высоким электрохимическим потенциалом (например, катионы этих материалов электрохимически более благородные), чем получаемый продукт-металл (например, Al); реакция нереакционноспособного материала боковой стенки менее желательна (электрохимически), чем реакция восстановления глинозема до алюминия. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособная боковая стенка изготовлена из литейных материалов. В некоторых вариантах осуществления нереакционноспособная боковая стенка изготовлена из спеченных материалов.
[00132] В некоторых вариантах осуществления боковая стенка имеет толщину от 3 мм до не более чем 500 мм.
[00133] В некоторых вариантах осуществления толщина боковой стенки составляет: по меньшей мере 3 мм; по меньшей мере 5 мм; по меньшей мере 10 мм; по меньшей мере 15 мм; по меньшей мере 20 мм; 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; или по меньшей мере 100 мм.
[00134] В некоторых вариантах осуществления толщина боковой стенки составляет: по меньшей мере 100 мм; по меньшей мере 125 мм; по меньшей мере 150 мм; по меньшей мере 175 мм; по меньшей мере 200 мм; по меньшей мере 225 мм; по меньшей мере 250 мм; по меньшей мере 275 мм; по меньшей мере 300 мм; по меньшей мере 325 мм; по меньшей мере 350 мм; по меньшей мере 375 мм; по меньшей мере 400 мм; по меньшей мере 425 мм; по меньшей мере 450 мм; по меньшей мере 475 мм; или по меньшей мере 500 мм.
[00135] В некоторых вариантах осуществления толщина боковой стенки составляет: не более 3 мм; не более 5 мм; не более 10 мм; не более 15 мм; не более 20 мм; не более 25 мм; не более 30 мм; не более 35 мм; не более 40 мм; не более 45 мм; не более 50 мм; не более 55 мм; не более 60 мм; не более 65 мм; не более 70 мм; не более 75 мм; не более 80 мм; не более 85 мм; не более 90 мм; не более 95 мм; или не более 100 мм.
[00136] В некоторых вариантах осуществления толщина боковой стенки составляет: не более 100 мм; не более 125 мм; не более 150 мм; не более 175 мм; не более 200 мм; не более 225 мм; не более 250 мм; не более 275 мм; не более 300 мм; не более 325 мм; не более 350 мм; не более 375 мм; не более 400 мм; не более 425 мм; не более 450 мм; не более 475 мм; или не более 500 мм.
[00137] В некоторых вариантах осуществления стабильная боковая стенка имеет толщину от 3 мм до не более чем 500 мм. В некоторых вариантах осуществления стабильная боковая стенка имеет толщину от 50 мм до не более чем 400 мм. В некоторых вариантах осуществления стабильная боковая стенка имеет толщину от 100 мм до не более чем 300 мм. В некоторых вариантах осуществления стабильная боковая стенка имеет толщину от 150 мм до не более чем 250 мм.
ПРИМЕР: исследование лабораторного масштаба: боковое питание:
[00138] Были выполнены испытания лабораторного масштаба для оценки коррозии-эрозии алюминиевого электролизера. Эти испытания на коррозию-эрозию показали, что глинозем и материалы из оксида хрома-глинозема преимущественно подвергались агрессивному воздействию на границе раздела ванна-металл. Также было определено, что скорость коррозии-эрозии на границе раздела ванна/металл резко ускоряется, когда концентрация насыщения глиноземом мала (например, ниже примерно 95 мас. %). С физическим барьером из питающих материалов, т.е. при питании с повышением концентрация насыщения глиноземом, барьер (например, из частиц глинозема) служил поддержанию глинозема насыщенным на границе раздела ванна-металл для защиты боковой стенки от ее растворения ванной. Таким образом, боковая стенка на границе раздела ванна-металл защищена от корродирующего/разъедающего действия и концентрация насыщения глиноземом поддерживается на уровне примерно 98 мас. %. После осуществления электролиза в течение некоторого времени боковую стенку осматривали и убеждались, что она оставалась неповрежденной.
ПРИМЕР: опытно-промышленные испытания: автоматическое боковое питание вращающимся питателем
[00139] Единственный электролизер Холла эксплуатировали непрерывно в течение примерно 700 ч с желобом вдоль боковой стенки по периметру электролизера (например, с вращающимся питателем). Питатель имел бункер и вращался вдоль боковой стенки для подачи питания по всей боковой стенке (вдоль одной боковой стенки). Питающий материал из пластинчатого глинозема подавали в электролизер в таком месте, чтобы он попадал в желоб, при помощи автоматического питателя. После завершения электролиза боковую стенку осматривали и убеждались, что она осталась неповрежденной (т.е. боковая стенка была защищена за счет бокового питания).
ПРИМЕР: полномасштабное испытание при боковом питании (вручную)
[0140] Испытание промышленного масштаба по питанию на боковой стенке проводили непрерывно в течение некоторого периода времени (например, по меньшей мере один месяц) с желобом вдоль боковой стенки при питании вручную. Питающий материал из пластинчатого глинозема загружали в электролизер вручную в месте, прилегающем к боковой стенке, так, чтобы глинозем удерживался в желобе в электролизере, находясь рядом с боковой стенкой. Измерения профиля боковой стенки показали минимальную коррозию-эрозию боковой стенки над желобом, а измерения профиля желоба продемонстрировали, что желоб сохранял свою целостность на всем протяжении работы электролизера. Таким образом, подаваемый вручную глинозем защищал границу раздела металл-ванна боковой поверхности электролизера от коррозии-эрозии. Электролизер вскрывали для того, чтобы достоверно проиллюстрировать описанное.
ПРИМЕР: Средний % насыщения глиноземом относительно максимальной скорости износа (скорости растворения)
[00141] Пять электролизеров (т.е. электролизеры 1-5) работали в течение некоторого периода времени для получения алюминия в лабораторном масштабе. Все электролизеры были одинакового размера и имели одинаковый материал боковой стенки (например, глинозем) без швов в боковых стенках, причем каждый электролизер содержал одинаковый материал расплавленного электролита (ванны). Каждый электролизер работал при различном среднем проценте насыщения глиноземом в ванне, причем электролизеры варьировались от в среднем 85,5% насыщения (электролизер 1) до 98,92% насыщения (электролизер 5). Измерения выполняли на каждом электролизере (например, в положении вдоль поверхности боковой стенки) для определения скорости растворения боковой стенки из глинозема. Максимальная скорость износа (в мм/год) приведена ниже в таблице. Данные подтверждают ту тенденцию, что по мере повышения среднего насыщения максимальная скорость износа снижается. Из таблицы следует, что в случае, когда средний % насыщения был в пределах 2% от насыщения (т.е. электролизер 5), максимальная скорость износа (скорость растворения) составляла менее половины от наблюдаемой у электролизера 1 (т.е. 31,97 мм/год по сравнению с 75,77 мм/год), который работал при 85,5% от насыщения.
Средний % насыщения и максимальная скорость износа (скорость растворения) в мм/год для электролизеров 1-5
Максимальная скорость износа
Электролизер
Средний % насыщения
(мм/год)
Электролизер 1
85,5
75,77
Электролизер 2
91,99
73,58
Электролизер 3
93,65
57,81
Электролизер 4
94,42
45,11
Электролизер 5
98,92
31,97
ПРИМЕР: Средний % насыщения глиноземом относительно максимальной скорости износа (скорости растворения)
[00142] Три электролизера (т.е. электролизеры 5-7) работали в течение некоторого периода времени для получения алюминия в лабораторном масштабе. Электролизеры 5-7 работали для получения алюминия из глинозема (питающий материал), и каждый электролизер имел боковые стенки из глинозема и одинаковый материал ванны (расплавленный электролит). Электролизеры 5 и 6 были одинакового размера (также электролизеры 1-6 были одинакового размера), тогда как электролизер 7 был более крупным полупромышленным электролизером, чем электролизеры 1-6). В электролизере 7 имелся по меньшей мере один шов в дополнение к глиноземному материалу боковой стенки. Для электролизеров 5-7 насыщение глиноземом определяли путем аналитических измерений каждые 4 часа (например, измерения LEGO). Для электролизера 5 питание глиноземом (контроль насыщения) осуществляли вручную (например, путем визуального осмотра ванны), тогда как у электролизеров 6 и 7 питание глиноземом было автоматизировано (например, с по меньшей мере одним измерением LECO, встроенным в автоматизированную систему). Все три электролизера работали в течение различных периодов времени до выключения. Во время работы глинозем добавляли в электролизер 5 на основании визуального осмотра (например, явное появление указания на событие «избыточного питания» и неявное появление указания на событие «недостаточного питания»). Электролизеры 6 и 7 питали на основании параметров автоматизированной системы управления, включая измерения LECO.
[00143] В случае электролизеров 5-7 каждый электролизер работал при различном среднем проценте насыщения по глинозему в ванне, причем этот процент менялся в этих электролизерах в среднем от 101,7% насыщения (электролизер 5) до 99,8% насыщения (электролизер 6). Измерения выполняли на каждом электролизере (например, в положении вдоль поверхности боковой стенки) для определения скорости растворения боковой стенки из глинозема по мере работы электролизера. Для каждого электролизера средний % насыщения (глиноземом) вместе с максимальной скоростью износа (скоростью растворения) в мм/год указаны в нижеприведенной таблице. Средние значения % насыщения получали посредством измерений LECO, которые обладали потенциальной погрешностью +/- 5%. В этом случае каждый электролизер работал со средним % насыщения, близким или немного превышающим предел насыщения глиноземом (расчетный) для системы электролизера с рабочими параметрами. В каждом электролизере время от времени наблюдали шлам, причем шлам (оседающий из ванны глинозем) накапливается на подине электролизера в случае, когда электролизера продолжительные периоды времени работал с содержаниями глинозема выше предела насыщения (т.е. для системы электролизера и его рабочих параметров). Скорости износа оценивали для электролизера 7 на шве (в дополнение к грани/поверхности боковой стенки) и отмечали, что, как и ожидалось, что измеренная средняя скорость износа на шве была выше, чем на грани электролизера 7. Отметим, что электролизер 5 из предыдущего Примера тот же, что и электролизер 5 в этом Примере, но средний % насыщения повышали (т.е. с 98,92% до 101,7%).
Средний % насыщения и максимальная скорость износа (скорость растворения) в мм/год для электролизеров 5-7
Электролизер
Средний % насыщения
Максимальная скорость износа (мм/год)
Электролизер 5
101,7
45,72
Электролизер 6
99,8
109,22
Электролизер 7
100,1
119,38
ПРИМЕР: Средний % насыщения глиноземом относительно максимальной скорости износа (скорости растворения)
[00144] Электролизер 8 был того же размера, что и электролизер 7 в предыдущем примере (например, лабораторный электролизер большего размера с по меньшей мере одним швом и глиноземным материалом боковой стенки). Электролизер 8 работал в течение нескольких дней при средней насыщении 98,5%, причем в течение этого времени сняли ряд измерений износа вдоль заданной части одного шва в электролизере. Рассчитывали скорость износа на шве для электролизера 8, работающего при 98,5% насыщения глиноземом с глиноземными стенками. После работы в течение ряда дней при среднем насыщении 98,5% электролизер 8 работал в течение ряда дней при среднем насыщении 98%, причем в это время сняли ряд измерений износа. Снова рассчитывали скорости износа на шве для того же электролизера, работающего при 98% насыщения глиноземом. Средний процент насыщения и максимальная скорость износа на шве приведены в таблице ниже. Заметим, что электролизер 8 работал более чем на месяц дольше при среднем насыщении 98,5% по сравнению с его работой при среднем насыщении 98%. Как показывает следующая таблица, при работе электролизера при среднем насыщении всего на 0,5% выше скорость износа на шве была менее чем половинной скоростью по сравнению со средней скоростью износа (скоростью растворения) при меньшем насыщении (т.е. 109,73 мм/год по сравнению с 241,40 мм/год).
Средний % насыщения и максимальная скорость износа на шве (скорость растворения) для Электролизера 8
Средний % насыщения
Максимальная скорость износа на шве (мм/год)
98,5
109,73
98
241,40
[00145] Хотя выше были подробно описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, очевидно, что специалистам в данной области техники придут на ум изменения и адаптации этих вариантов осуществления. Однако следует понимать, что такие изменения и адаптации также находятся в рамках сути и объема настоящего изобретения.
Ссылочные позиции
Электролизер 10
Анод 12
Катод 14
Ванна электролита 16
Слой металла 18
Корпус 20 электролизера
Электрическая шина 22
Анодный узел 24
Токоотводящий стержень 40
Активная боковая стенка 30
Боковая стенка 38 (например, включает активную боковую стенку и теплоизоляционную футеровку)
Подина 32
Внешний кожух 34
Питающий блок 60
Граница 26 раздела ванна-воздух
Граница 28 раздела металл-ванна