BRPI0611458A2 - aparelho e método de sustentação de anodos - Google Patents

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Abstract

APARELHO E METODO DE SUSTENTAçáO DE ANODOS Um aparelho para segurar anodos acima de um catodo em uma célula de eletrólise, compreendendo uma superestrutura, um feixe de anodos ao qual uma pluralidade de anodos individuais (24) está fixada, cada um dos anodos tendo uma haste de anodos (26) para fixação ao feixe de anodos através de um fixador principal (54), o feixe de anodos sendomontado, de forma ajustável, à superestrutura, um fixador auxiliar (56) para cada haste de anodos (26), e pelo menos um feixe elétrico (50) com conectores (52) propiciando conexão elétrica entre o feixe elétrico (50) e a haste de anodos (26)

Description

APARELHO E MÉTODO DE SUSTENTAÇÃO DE ANODOS
Campo de invenção
Esta invenção refere-se a um aparelho emétodo para segurar anodos em uma célula de eletróliseproduzindo, por exemplo, alumínio, e, especialmente, umaparelho e método para ajustar a posição desses anodos em uma célula.
Histórico da invenção
A eletrólise de alumina para produziralumínio através do processo Hall-Heroult é bem conhecida eenvolve uma reação eletroquímica. Este processo inclui umacélula eletrolítica compreendendo uma cuba eletrolítica comuma pluralidade de catodos e anodos. Fornece-se o óxido dealumínio a um banho à base de criolita no qual se dissolve oóxido de alumínio. 0 processo eletrolítico é mais eficiente atemperaturas de banho entre 9400C e 970°C. Os anodos formamblocos de anodos carbonáceos e hastes de alumínio quepropiciam a ligação eletromecânica ao feixe de anodos do qualestão suspensos os anodos. Submergem-se parcialmente osanodos no eletrólito para propiciar uma distância deseparação anodo-catodo através da passa uma correnteelétrica. Durante o processo eletrolítico, o alumínio éproduzido no catodo e forma uma camada de alumínio fundido emcima do catodo com o banho de criolita flutuando sobre acamada de alumínio. Para a operação eficiente da célulaeletrolítica, deve-se ajustar e manter o espaço entre anodo ecatodo, a uma distância ótima predeterminada ou dentro de umafaixa ótima. Se o espaço anodo-catodo for grande demais, istoprovoca uma queda significativa de voltagem entre oseletrodos resultando em uma maior geração de energiaindesejada no eletrólito. Caso o espaço for pequeno demais, oprocesso eletrolítico torna-se instável e ineficiente.
Com anodos de carbono convencionais, osblocos de anodos são consumidos continuamente durante areação eletroquimica produzindo principalmente gases de CO2.Como conseqüência do consumo continuo dos anodos, o espaçoanodo-catodo aumenta com o passar do tempo. A fim de manter adistância do vão, monitora-se continuamente a voltagem dacélula e reajusta-se periodicamente a posição dos anodos paramanter um ótimo espaço anodo-catodo.
Devido ao consumo continuo, os anodos têm umavida útil limitada de aproximadamente quatro semanas após osquais precisam ser substituídos por anodos novos. Seria doconhecimento dos peritos na técnica que mudar mais do que umde todos os anodos em uma célula eletrolítica em um pequenoperíodo de tempo levará a uma séria interferência nosprocessos químico e térmico. Portanto, é prática comum mudarapenas um anodo por dia em uma determinada célula de modo quecada anodo daquela célula tenha idade diferente entre zero eaproximadamente 28 dias.
Em um desenho convencional de célulaeletrolítica, o apoio móvel de anodos, denominado um feixe deanodos, é sustentado pela superestrutura. Os anodos estãofixados diretamente a este feixe de anodos que propicia apoiomecânico e fornece corrente elétrica para os anodos.Convencionalmente, utiliza-se um único fixador por anodotanto para a fixação mecânica como o contato elétrico dahaste de anodos com o feixe de anodos. Então, ajusta-se adistância entre os anodos e a camada de alumínio em cima docatodo através da elevação e descida de todo o feixe deanodos. Assim, durante toda a vida operacional dos anodos,existe a necessidade de elevar e abaixar o feixe de anodospara manter o espaço anodo-catodo dentro de faixas ótimas.
Devido ao consumo dos anodos, prevalece odeslocamento descendente do feixe, de anodos e varia entreaproximadamente 15 e 20 mm por dia. Como resultado dodeslocamento descendente, o feixe de anodos atingirá suaposição mais baixa possível na superestrutura após duas outrês semanas e, então, deve ser elevado com o auxílio de umfeixe de elevação auxiliar de anodos que estejatemporariamente posicionado em cima da superestrutura decélulas. Este feixe de elevação de anodos está equipado comdispositivos que seguram os anodos em posição, enquanto osfixadores de anodos são manualmente abertos por operadorespara permitir que o feixe de anodos se desloque de volta parasua posição mais elevada. Quando o feixe de anodos atinge suaposição mais elevada, todos os fixadores de anodos devem sernovamente fechados pelos operadores.
Estes dispositivos de fixação também exercemuma elevada pressão lateral na haste de anodos para manter ocontato elétrico entre a haste de anodos e o feixe de anodosenquanto o feixe de anodos está se deslocando ascendentementedeslizando ao longo da haste de anodos. O processo deelevação dos anodos representa um risco de segurançasignificativo, pois a pressão exercida na haste de anodospode sofrer uma queda, resultando na perda do contatoelétrico entre a haste de anodos e o feixe de anodos. Nessasituação, desenvolvem-se arcos elétricos perigosos até asubestação do dispositivo de fundição de alumínio desligadevido ao circuito elétrico aberto. Nessa circunstância, osoperadores que executem a elevação do feixe de anodos corremrisco de sofrerem queimaduras.Conseqüentemente, um objetivo da presenteinvenção é o fornecimento de um aparelho para elevaçãoautomática do feixe de anodos sem interação humana que abordaum ou mais dos problemas dos arranjos já existentes.
Sumário da invenção
Em um aspecto da invenção, fornecem-se:
• um aparelho para segurar anodos acima deum catodo em uma célula de eletrólise,incluindo uma superestrutura, um feixede anodos ao qual uma pluralidade deanodos individuais está fixada, cada umdos anodos tendo uma respectiva haste deanodos para fixação ao feixe de anodosatravés de um fixador principal, ditofeixe de anodos sendo montado, de formaajustável, à superestrutura,
• um fixador auxiliar para cada haste deanodos, e pelo menos um feixe elétricosustentado pela superestrutura, ditofeixe elétrico tendo conectorespropiciando conexão elétrica entre ofeixe elétrico e a haste de anodos.
Em uma realização recomendada deste aspectoda invenção, prendem-se os fixadores auxiliares em umaposição relativa à superestrutura.
Ao contrário de todas as tecnologias decélula conhecidas, o feixe de anodos desta invenção é apenasuma fixação mecânica para a haste de anodos que propiciadeslocamentos verticais dos anodos para controlar a distânciaanodo-catodo. O feixe de anodos não realiza mais a tarefa deconduzir eletricidade aos anodos. Esta tarefa é realizada porpelo menos um feixe elétrico de preferência fixado na partesuperior central da superestrutura de células e umapluralidade de flexíveis. Recomenda-se que estes flexíveissejam constituídos por um conjunto de folhas de alumíniosoldadas ao feixe elétrico e presas através de junções desujeição ou cavilhadas à parte superior da haste de anodos.
Desta forma, a tarefa de fixação mecânica eajuste da altura dos anodos pode ser mantida separada daconexão elétrica à haste de anodos. Assim, fornece-se umcontato elétrico ininterrupto ao feixe elétrico enquanto sepropicia uma fixação mais segura da haste de anodos ao feixede anodos móvel.
Em um segundo aspecto, a invenção fornece umaparelho para ajustar a distância entre os anodos e o catododa célula de eletrólises, incluindo um feixe de anodos aoqual uma pluralidade de anodos individuais está fixadaatravés da respectiva haste de anodos, a haste de anodos decada um dos anodos sendo segura em posição com relação aofeixe de anodos através de um fixador principal, um fixadorauxiliar para cada uma das hastes de anodos, e um dispositivopara controlar a operação dos fixadores principal e auxiliara fim de permitir o engate e desengate dos fixadores.
0 aparelho também pode ser provido de umasuperestrutura. 0 fixador auxiliar é preso, de preferência, àsuperestrutura para sustentar o fixador auxiliar durante aelevação do feixe de anodos.
Em uma realização recomendada do primeiro edo segundo aspectos da invenção, o engate e desengate dosfixadores principal e auxiliar são controlados por umcomputador de controle de processos. A desconexão e reconexãodos flexíveis elétricos necessários para a operação demudança de anodos são realizadas com ferramentasespecializadas presas aos guindastes manipuladores. A conexãoelétrica flexível apenas será aberta para executar a mudançade anodos no final da vida útil do bloco de anodos.
Nesta invenção, a operação de elevação dofeixe de anodos não é mais realizada com um feixe de elevaçãoauxiliar segurando os anodos em posição, como exposto acima.
Os dois fixadores são utilizados para esta operação. A fim deelevar o feixe de anodos, o computador de controle deprocessos fechará os fixadores auxiliares para manter asposições dos anodos enquanto desengata os fixadoresprincipais. Quando os fixadores principais de todos os anodosda célula estiverem em posição aberta, é possível elevar ofeixe de anodos livremente. Não há necessidade de manter umcontato elétrico entre o feixe de anodos e a haste de anodosaplicando pressão nas hastes, pois a condução elétricapermanece ininterrupta através da conexão contínua de hastesflexíveis.
De acordo com um terceiro aspecto dainvenção, fornece-se um método de elevação de um feixe deanodos em uma célula de eletrólise, descrita acima, incluindoas etapas de:
• engate dos fixadores auxiliares para manter a posição dos anodos com relação à superestrutura,
• desengate dos fixadores principais,
• deslocamento do feixe de anodos,
• re-engate dos fixadores principais, e• desengate dos fixadores auxiliares.
Com esta invenção, é possível realizar aelevação automatizada do feixe de anodos com muito maisfreqüência (p.ex. a cada um ou dois dias) do que com umarranjo convencional de feixe de anodos onde a elevação dofeixe de trabalho, que consome energia, intensivo ocorre acada duas ou três semanas. Por este motivo, pode-se reduzirsignificativamente a distância total de deslocamento do feixede anodos.
Descrição dos desenhos
A Figura 1 é uma vista transversal de umacélula de eletrólise e uma sustentação de anodos convencionalda técnica anterior, e a Figura 2 é uma vista transversal deuma célula de eletrólise e sustentação de anodos de acordocom uma realização da invenção.
Descrição detalhada das realizaçõesrecomendadas
A célula de eletrólise da técnica anteriorinclui uma carcaça externa de aço 12 com um revestimentorefratário inferior 14 e revestimento refratário de paredelateral 16. O revestimento refratário inferior sustenta umcatodo 18 com barras coletoras de aço 20 para conduzireletricidade para barras de ligação (não ilustradas) na parteexterna da carcaça de aço 12. Está ilustrado um conjunto deanodos, compreendendo um bloco de anodos 24 conectado a umahaste de anodos 26 através de uma culatra de aço 22 e mangas28. A haste de anodos 26 é conectada tanto mecânica comoeletricamente a um feixe de anodos 30 através de umdispositivo de fixação 32 preso ao feixe de anodos. Fornecem-se jogos de acionamento mecânico (não ilustrados) para elevare abaixar o feixe de anodos a fim de variar o espaço anodo-catodo (ou melhor, o espaço entre anodos submersos noeletrólito e na camada liquida de alumínio em cima do catodo)para uma distância desejada.
O desenho do equipamento para elevar eabaixar os anodos baseia-se na suposição de que todos osanodos serão consumidos a um índice constante e, assim,geralmente, todos os anodos na célula podem ser elevados ouabaixados concomitantemente para manter o espaço dentro dafaixa ótima. Dentro da superestrutura de células, propiciam-se vários escaninhos de alumina (34) para fornecer alumina aalimentadores de ponta (não ilustrados) geralmenteposicionados entre os pares de anodos.
Esses sistemas de feixe de anodos dependem deuma conexão fixadora que propicia pressão mecânica suficientepara manter a haste de anodos em uma posição fixa com relaçãoao feixe de anodos. Essa mesma conexão· propicia a conexãoelétrica entre o feixe de anodos e a haste de anodos.Portanto, esse sistema compreende tanto a função de conexãoelétrica como a função de fixação mecânica. Além disso, aremoção e adição dos anodos realizam-se através de umguindaste posicionado acima da célula eletrolítica. Por causado desenho da superestrutura de células, o guindaste devenecessariamente ficar muito mais alto a fim de passar porcima da superestrutura.
Enquanto os detalhes de uma célula deeletrólise convencional são aqueles ilustrados na Figura 1, arealização desta invenção é ilustrada na Figura 2. Parafacilitar a compreensão, as estruturas na realização dainvenção que são semelhantes às de uma célula de eletróliseconvencional receberam numeração idêntica. A estrutura desustentação de anodos, de acordo com a invenção, inclui ofeixe elétrico 50, de preferência fixado em posição econectado à haste de anodos 26 através de conectoreselétricos, denominados aqui flexíveis 52. Estes flexíveis 52mantêm a conexão elétrica com a haste de anodos enquantopropiciam às hastes a habilidade de se deslocarem com relaçãoao feixe elétrico 50. Geralmente, os flexíveis 52 sãoformados a partir de uma pluralidade de folhas de alumínio noformato de um bloco laminar de alumínio com a estruturalaminar estendendo-se na direção do fluxo de corrente. Umaextremidade dos flexíveis está soldada ao feixe elétrico 50enquanto a outra extremidade está conectada à parte superiorda haste de anodos através da junção cavilhada ou de sujeição 60.
A estrutura de sustentação de anodoscompreende o fixador principal 54, preso ao feixe de anodosde deslocamento vertical 30, e o fixador auxiliar 56, preso àplaca de base da superestrutura de células 58. O feixe deanodos é deslocado por um jogo de acionamento mecânico (nãoilustrado) semelhante ao da estrutura convencional desustentação de anodos. Há um fixador principal 54 e umfixador auxiliar 56 para cada uma das hastes de anodos 26. 0fixador principal 54 de todos os anodos de uma célula estácontinuamente engatado salvo durante a operação de elevaçãodo feixe de anodos. Um dispositivo de controle como, porexemplo, cilindros pneumáticos ou motores elétricos, éfornecido para operar as ações de engate e desengate dosfixadores principais 54 e dos fixadores auxiliares 56.
Um escaninho de alumina 62, menor do que oescaninho da técnica anterior, também é fornecido nasuperestrutura entre os feixes de anodos 30.Para elevar o feixe de anodos, os fixadoresauxiliares 56 de todos os anodos em uma determinada célulasão fechados pelo computador de controle de processos.
Subseqüentemente, os fixadores principais 54 são abertos demodo que o jogo de acionamento mecânico possa elevar o feixede anodos 30 livremente. Os anodos são mantidos em suaposição pelos fixadores auxiliares 56 e a conexão elétricapropiciada pelos flexíveis 52 é ininterrupta. Uma vez que ofeixe de anodos tenha atingido sua posição superior, osfixadores principais 54 são fechados. Seguido-se a aberturaou desengate dos fixadores auxiliares 56. Toda a operação dedesengate e re-engate dos fixadores assim como de elevação dofeixe de anodos é completamente automatizada e não requer aintervenção de nenhum operador.

Claims (11)

1. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, caracterizado por incluir:• uma superestrutura, um feixe de anodosao qual uma pluralidade anodosindividuais está fixada, cada um dosanodos tendo uma haste de anodos parafixação ao feixe de anodos através de umfixador principal, sendo dito feixe deanodos montado, de forma ajustável, àsuperestrutura,• um fixador auxiliar para cada haste deanodos, e pelo menos um feixe elétricoseguro através da superestrutura, ditofeixe elétrico tendo conectores quepropiciam conexão elétrica entre o feixeelétrico e a haste de anodos.
2. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor os fixadores auxiliares estarem fixos em uma posiçãorelativa à superestrutura.
3. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado por pelo menos um feixe elétrico estar fixo naparte superior central da superestrutura de células e umapluralidade de flexíveis.
4. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopor os flexíveis serem feitos de uma multidão de folhas dealumínio soldadas ao feixe elétrico e presas através dejunções cavilhadas ou de sujeição à parte superior da hastede anodos.
5. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, caracterizado por incluir um feixe de anodos aoqual uma pluralidade de anodos individuais está fixadaatravés da respectiva haste de anodos, a haste de anodos decada um dos anodos sendo segura em posição com relação aofeixe de anodos através de um fixador principal, um fixadorauxiliar para cada uma das hastes de anodos, e um dispositivopara controlar a operação dos fixadores principal e auxiliara fim de permitir o engate e desengate dos fixadores.
6. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopor ser também provido de uma superestrutura, o fixadorauxiliar sendo preso à superestrutura para sustentar ofixador auxiliar durante a elevação do feixe de anodos.
7. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopor o engate e desengate dos fixadores principal e auxiliarserem controlados por um computador de controle de processos.
8. Aparelho de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor o controlador de processos apenas permitir o desengatedos fixadores principais quando os fixadores auxiliaresestiverem fechados.
9. Método de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, caracterizado por incluir as etapas de:• engate dos fixadores auxiliares para manter a posição dos anodos com relação à superestrutura,• desengate dos fixadores principais,• deslocamento do feixe de anodos,• re-engate dos fixadores principais, e• desengate dos fixadores auxiliares.
10. Método de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopor os fixadores principais apenas serem desengatados quandoos fixadores auxiliares forem engatados.
11. Método de sustentação de anodos, parasegurar anodos acima de um catodo em uma célula deeletrólise, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopor os fixadores auxiliares apenas poderem ser desengatadosquando os fixadores principais forem engatados.
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