BRPI0615403A2 - métodos para formação in-situ de ranhuras em um ánodo soderberg - Google Patents

Abstract

MéTODOS PARA FORMAçãO IN-SITU DE RANHURAS EM UM áNODO SODERBERG. A presente invenção refere-se a um ânodo de carbono tipo Soderberg de auto cozimento (40) para uso em uma célula de eletrólise de alumínio (1) para formar produto de alumínio, em que o ânodo (40) é consumível em eletrólito fundido (12) na célula, tendo o ânodo superfícies de topo, fundo e laterais, e múltiplas camadas de inserções de placas (48) dispostas verticalmente, fusíveis no eletrólito fundido, as inserções de placa (48) preferencialmente feitas de alumínio e são capazes de fundir para criar ranhuras ocas (52) no fundo do ânodo facilitando quaisquer bolhas de gás (60) geradas canalizarem para a lateral do ânodo dentro do eletrólito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOSPARA FORMAÇÃO IN-SITU DE RANHURAS EM UM ÂNODO SODERBERG".

Referência Cruzada ao Pedido Relacionado

Este pedido reivindica prioridade para o pedido US N911/215,586 arquivado em 30 de Agosto de 2005, o qual é incorporado aquipor referência.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se ao uso de ranhuras em ânodos decarbono de auto cozimento para uso em células de eletrólise de alumínio,onde as ranhuras canalizam gás de ânodo para fora das superfícies doânodo.

Fundamentos da Invenção

O alumínio é produzido convencionalmente pela eletrólise dealumina dissolvida em eletrólitos fundidos à base de criolita (usualmente co-mo NaF mais AIF3) a temperaturas entre aproximadamente 900°C e 1000°C;o processo é conhecido como o processo de Hall-Heroult. Uma célula deredução/ "forno eletrolítico" de Hall-Heroult compreende tipicamente umacarcaça de aço tendo um revestimento isolante de material refratário o qualpor sua vez tem um revestimento de carbono que contata os constituintesfundidos. Barras condutoras conectadas ao pólo negativo de uma fonte decorrente contínua estão embutidas no substrato do cátodo de carbono queforma o piso de fundo da célula. Em geral ânodos de carbono são consumi-dos com a evolução de gás de óxido de carbono (CO2 e CO), como bolhasde gás e similares.

Existem duas tecnologias de ânodo usadas para produzir alumí-nio pelo processo eletrolítico de Hall-Heroul. Uma é a de um ânodo pré-cozido caracterizado pela Patente US Ne 2.480.474, mencionada previamen-te, e a Publicação do Pedido de Patente US Ne 20050199488, arquivado em11 de Março de 2004 (Barclay et ai.)· A outra é uma tecnologia de célula deânodo de autocozimento "Soderberg" caracterizada pela patente US N93.996.117 (Graham et al.). Em uma célula pré-cozida, existem usualmenteentre 10 e 40 ânodos, dependendo do tamanho de célula (ampèragem). Ascélulas de Soderberg têm somente um grande ânodo de autocozimento ten-do uma dimensão aproximada de 2 a 3 metros de largura e 5-6 metros decomprimento. Este ânodo de autocozimento é pensado por Sodenberg naPatente US N91.440.724.

Como descrito por Edwards et al. em Alumínio e Sua Produção.McGraw-HiII1 New York1 1930, pp. 300- 307, ânodos de carbono podem serfeitos de uma mistura de carbono, piche e alcatrão, a qual é prensada emmoldes e subseqüentemente cozida em um forno de cozimento, ou eles po-dem ser feitos pela técnica de Soderberg. Na técnica de Soderberg, um invó-lucro de aço é usado para manter uma pasta carbonácea de eletrodo decarbono e alcatrão-piche. A mistura de eletrodo é gradualmente cozida paraprover um eletrodo de carbono cozido denso de boa condutividade que émovido gradualmente em direção aos eletrólitos, onde ele é eventualmenteconsumido.

O consumo dos ânodos de carbono em eletrólitos fundidos émostrado da Especificação de Patente US Ngs 2.480.474 e 3.756.929 (Jonh-son Figura 6a e Schmidt-Hatting et al. Figura 1, respectivamente). Os âno-dos são submergidos pelo menos parcialmente no banho e aqueles ânodosbem como suas estruturas de suporte são substituídas regularmente umavez que o carbono é consumido. Alumina é alimentada dentro do banho du-rante operação de célula e é importante ter boa dissolução de alumina. Asbolhas de gás do ânodo ajudarão a criar/causar fluxo de banho e turbulên-cia. É importante criar uma boa turbulência pelas bolhas de gás de ânodo nosentido favorável para aumentar a dissolução de alumina.

A tecnologia tradicional se baseou no fluxo natural de gasesdesde sob os ânodos de carbono durante o processo de redução de alumí-nio, mas isto atrasou a remoção das bolhas de gás e diminui eficiências e aprodução de alumínio. Esta presença e o acúmulo de gás gerado durante aeletrólise foi um problema continuado na indústria e uma causa de altas de-mandas de energia, e para operar as células de eletrólise, os eletrodos de-vem ser projetados apropriadamente.Com sua grande área de superfície de fundo, os ânodos deSoderberg podem apresentar sérios problemas na evolução de gás. Em umacélula de eletrólise do tipo Soderberg de autocozimento, durante a eletrólise,

uma grande quantidade de gás de ânodo (40 a 50 kg C02/hora) é produzidona única superfície de fundo de ânodo, e o gás de ânodo deve se deslocaruma distância considerável antes que ele possa ser liberado da superfície defundo do ânodo. As bolhas de gás coalescem e crescem até mesmo maio-res, antes que elas escapem da grande superfície de fundo de ânodo. Esteprocesso de formação de bolhas de gás de ânodo, coalescência, e Iibera-ção/escape das superfícies de ânodo criam instabilidade de célula significa-tiva, e portanto, células de Soderberg usualmente têm uma eficiência de cor-rente inferior do que as células pré-cozidas. Ao mesmo tempo, as bolhas degás de ânodo cobre uma grande percentagem da superfície de ânodo defundo, o que resulta em um aumento significativo na resistência elétrica evoltagem da célula, resultando em um consumo de energia maior do que nastecnologias de célula pré-cozida. Por exemplo, a Patente US Nq 3.996.117(Graham et al.)> divulga um ânodo de bloco de carbono disposto entre umajaqueta de aço na qual um gás de ânodo, principalmente, fica substancial-mente preso debaixo de uma crosta contendo alumina. Na Patente US N-5.030.335 (Olsen), o gás CO2 preso foi reconhecido como um problema du-rante a passagem do CO2 para um queimador de rejeito, já que o gás pode-ria conter também voláteis de piche e o produto da combustão poderia ter deser umedecido ou limpo a seco. Também, rompimentos na crosta poderiampermitir ao gás escapar na construção do forno. Em Olsen, foram usadascomo vedações uma pluralidade de placas eleváveis. Em Olsen, a jaquetade aço lateral/coletor para o ânodo de Soderberg é mostrada mais claramen-te. Nenhum destes dois projetos anteriores de célula de Soderberg resolveproblemas de formação de CO2 do fundo do ânodo.

O que é necessário é um projeto de ânodo de carbono de So-derberg que rapidamente canalizará o gás de ânodo para fora da superfíciehorizontal de fundo, para melhorar a eficiência de corrente da célula, aumen-tar a estabilidade da célula e reduzir a resistência elétrica.Sumário da Invenção

E um principal objetivo da invenção prover um projeto de célu-la/ânodo de Soderberg que reduza a quantidade de bolhas de gás na super-fície de fundo de ânodos de Soderberg de auto cozimento.

As necessidades acima são satisfeitas e o objetivo realizadoprovendo uma série de inserções de placa e correspondentes ranhuras emum ânodo de Soderberg. Em um aspecto é provida uma célula de eletrólisede alumínio tendo um tal ânodo de Soderberg, o ânodo de carbono tipo So-derberg consumível em eletrólito fundido, tendo superfícies de topo, fundo elaterais, com pinos metálicos verticais conduzindo eletricamente dispostosdentro do corpo do ânodo, o ânodo operando em eletrólito fundido em umacélula de eletrólise de alumínio, onde são geradas bolhas de gás na superfí-cie de fundo do ânodo, em que o ânodo é movível em uma direção verticalpara baixo em um eletrólito enquanto o ânodo é consumido, e em que oânodo tem uma pluralidade de ranhuras exteriores no fundo da superfície deânodo ao longo de um eixo horizontal do ânodo. As ranhuras são expostasao eletrólito fundido e são configuradas para permitir as bolhas de gás deânodo passarem para fora do eletrólito e afastadas do ânodo sem tampar asranhuras. O ânodo inclui uma pluralidade de camadas ou colunas de inser-ções de placa, as inserções de placa compreendendo pelo menos um dealumínio, oxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, onde a camadade fundo das inserções irá fundir/dissolver com movimento para baixo dosânodo dentro do eletrólito fundido para formar ranhuras no fundo do ânodono contato com o eletrólito.

As ranhuras do ânodo podem ser de qualquer orientação (porexemplo, uma orientação vertical) e são geralmente não contínuas. As ra-nhuras não contínuas são formadas no ânodo de carbono de Soderberg detal forma que bolhas e bolhas coalescidas geradas nas superfícies do eletró-lito fluam para dentro das ranhuras e as ranhuras promovam movimento dasbolhas para fora do centro da superfície de fundo do ânodo e em direção àlateral do ânodo. A este respeito, as inserções de placa podem ser de di-mensão apropriada para realizar a desejada dimensão de ranhura com res-peito à largura, comprimento e altura. A largura das inserções de placa (por-tanto a largura da ranhura) pode ser selecionada de tal forma que elas per-mitam canalização contínua de uma quantidade significativa de gás de âno-do e uma velocidade de fluxo de gás apropriada. Preferencialmente, as ra-nhuras não entrarão em colapso ou se tornarão tampadas com os gases deânodo. A altura da inserção de placa decide a profundidade da ranhura aqual dita a faixa de vida de cada ranhura. Por exemplo, a largura das ranhu-ras (espessura das inserções de placa) podem ser de aproximadamente0,75 cm a 1,5 cm, preferencialmente 1,0 cm a 1,3 cm para ânodos de estiloSoderberg convencionais. Nos ânodos Soderberg convencionais, a altura dainserção de placa pode ser entre 6 cm e 50 cm, preferencialmente 9 cm a 20cm, que pode produzir ranhuras permanecendo 6 dias a 14 dias em ânodosde carbono convencionais. O comprimento das inserções de placa depen-dem da largura do ânodo de Soderberg. A resistência e integridade do car-bono do ânodo são também levadas em conta.

As placas formando ranhuras mais ao topo podem ser posicio-nadas entre as colunas dos tarugos/pinos/grampos de aço do ânodo. As ra-nhuras devem assim ser formadas/localizadas nos locais entre as colunasde tarugos/grampos de ânodo (não tocando os tarugos). Para garantir que ésuficiente o número de ranhuras durante a operação, as placas de inserçãopodem ser inseridas entre cada outra coluna de pinos (alternada em inserirplacas entre colunas adjacentes de tarugos de ânodo de aço).

Em outro aspecto, é provido um ânodo de carbono tipo Soder-berg de auto cozimento, o ânodo tendo superfícies de topo, fundo e lateraise contendo uma pluralidade de camadas de inserções de placa dispostasverticalmente, as inserções de placa compreendendo pelo menos um dealumínio, oxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, sendo as inser-ções de placa capazes de fundir para criar as ranhuras no fundo do ânodopermitindo desta forma qualquer gás gerado na operação do ânodo passaratravés das ranhuras para o lado do ânodo. Em uma modalidade, as inser-ções de placa são alumínio um uma liga de alumínio de baixa impureza.Assim, o ânodo pode incluir uma pluralidade de inserções de placa circun-dadas por material de ânodo à base de carbono. As inserções de placa po-dem ser dispostas em vários níveis verticais dentro do ânodo. Por exemplo,as inserções de placa podem ser dispostas em quatro distintas camadasdentro do ânodo. As camadas de inserções de placa podem ser distintas ouas camadas podem se justapor, tal como ao longo de um eixo horizontal doânodo, (por exemplo, um primeiro conjunto de inserções de placa pode serdisposto em torno de um primeiro eixo horizontal e um segundo conjunto deinserções de placa pode ser disposto em torno de um segundo eixo horizon-tal, sendo a distância entre os dois eixos horizontais menor do que o com-primento de um conjunto de inserções de placa). As inserções de placa po-dem ser alinhadas em uma direção vertical, em que uma pluralidade de in-serções de placa são alinhadas com um primeiro eixo horizontal do ânodo,(por exemplo, um primeiro conjunto de inserções de placa podem ser alinha-dos com um primeiro eixo vertical e um segundo conjunto de inserções deplaca podem ser alinhados com um segundo eixo vertical. Em uma modali-dade particular, o ânodo inclui pelo menos quatro camadas distintas de in-serções de placa, cada camada incluindo uma pluralidade de inserções deplaca. O ânodo pode também incluir uma pluralidade de ranhuras localiza-das próximas à parte de fundo do ânodo. As ranhuras são formadas fundin-do as inserções de placa, como descrito.

Em outro aspecto, são providos métodos de formar um ânodo deSoderberg, incluindo os métodos as etapas de adicionar pasta de carbono auma parte superior de um invólucro contendo um ânodo de Soderberg; inse-rir inserções de placa dentro da pasta de carbono, e abaixar a pasta de car-bono em direção ao eletrólito fundido. Os métodos podem incluir a(s) eta-pa(s) de adicionar pasta de carbono à parte superior do alojamento e/ou in-serir inserções de placa adicionais dentro da pasta de carbono. Quaisquerdas etapas acima pode ser concomitante à etapa de produzir alumínio comuma célula de eletrólise de alumínio interconectada ao ânodo de Soderberg.O número de inserções de placa/ranhuras e configurações de inserções deplaca/ranhuras podem ser selecionado para restringir efetivamente e eficien-temente a formação de grandes bolhas de gás e canalizar para fora da su-perfície do ânodo o gás de ânodo durante a operação de uma célula eletrolí-tica, assim aperfeiçoando a eficiência de corrente da célula e a estabilidadeda célula. Também, reduzir a quantidade de bolhas de gás na superfície defundo dos ânodos de Soderberg reduzirá significativamente a resistênciaelétrica, abaixar a voltagem total da célula, e desta forma reduzir o consumode energia elétrica da célula. São também providos métodos de produzir a-lumínio usando os ânodos de Soderberg acima descritos.

Como pode ser observado, vários dos aspectos, abordagense/ou modalidades acima observados, podem ser combinados para produzirvários sistemas e métodos de produção carbotérmicos inventivos. Estes eoutros aspectos, vantagens, e novas características da invenção são colo-cados em parte na descrição que segue e se tornarão claros àqueles enten-didos na técnica pelo exame da descrição e figuras que seguem, ou podemser aprendidas praticando a invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

Um completo entendimento da invenção pode ser apreciado pelaseguinte Descrição Detalhada da Invenção quando lida com referência aosdesenhos anexos em que:

a Figura 1 é uma vista em corte transversal parcialmente rompi-da de uma célula de tipo de ânodo de Soderberg de autocozimento do tipoda técnica anterior, tradicional, similar àquele ilustrado na Especificação dePatente 3.996.117;

a Figura 2 é uma vista esquemática parcialmente em cortetransversal rompida, vista frontal, de parte de uma célula de tipo de ânodode Soderberg de autocozimento, mostrando uma pluralidade de ranhuras einserções de placa de alumínio embutidas dentro do ânodo;

a Figura 3 é uma vista esquemática parcialmente em cortetransversal rompida, vista lateral, da célula mostrada na Figura 2;

a Figura 4 é uma vista parcial aumentada da parte de operaçãoda Figura 3 mostrando o ânodo em transição, em uma célula de eletrólise dealumínio, onde uma ranhura é formada depois que uma inserção de placa dealumínio é fundida, e onde o ânodo de carbono circundante, mostrado comouma linha tracejada, está produzindo bolhas e estas bolhas fluem para den-tro da ranhura, para facilidade de remoção de bolhas.

a Figura 5 é uma vista esquemática em corte transversal, vistade topo, de um ânodo de Soderberg de autocozimento mostrando um posi-cionamento de inserções de placa de alumínio em dois níveis verticais doânodo.

a Figura 6 é um gráfico comparativo do ruído de voltagem(V) doforno eletrolítico de ânodo de células de Soderberg, com ânodos de Soder-berg tradicionais vs. ânodos de Soderberg ranhurados;

as Figuras 7(a) e 7(b) são gráficos comparativos do potencialtípico de ânodo vs. tempo mostrando resultados de formação de tamanho debolha de gás e liberação nas superfícies de ânodo de ânodos de Soderbergtradicionais e ânodos de Soderberg ranhurados;

as Figuras 8(a) e 8(b) são gráficos comparativos da voltagem decélula de forno eletrolítico (v) vs. tempo mostrando flutuação de voltagem deuma célula de ânodo de Soderberg tradicional e uma célula de ânodo deSoderberg ranhurado; e

a Figura 9 é um gráfico comparativo da queda de voltagem debolha de gás como medido em ânodos de Soderberg com e sem fendas.

Descrição Detalhada da Invenção

A Figura 1 ilustra um ânodo à base de carbono tradicional dotipo de Soderberg de autocozimento 13 operando em eletrólito fundido 12em uma célula de eletrólise de alumínio 1. Esta célula 1 inclui uma carcaçade aço 10, uma cuba de produto de metal de alumínio fundido 11 e um ba-nho de eletrólito 12. Bolhas de gás de ânodo (principalmente CO2) aparecemcomo grandes bolhas presas 2, no fundo 3 do ânodo 13, coalescem em bo-lhas maiores 4 próximo à lateral 5 do ânodo 13 e finalmente liberando comgrandes bolhas 6, deslocando-se para cima como mostrado na seta 7. Sus-penso no banho 12 está um ânodo de Soderberg (+) 13. Associado com oânodo de Soderberg estão metais, usualmente grampos/condutores/pinos deaço 14a, 14b e 14c, os quais são conectados ao lado positivo de uma fontede corrente elétrica. É provido um metal, usualmente, jaqueta de aço 15, nolado superior do ânodo, onde os constituintes de ânodo ainda não endurece-ram suficientemente (não cozido) para tornar os mesmos auto-suportados.Enquanto o ânodo é consumido, como mostrado pelo fundo irregular 3, ele émovido para baixo dentro do eletrólito como mostrado pela seta de topo es-cura 17.

Circundando o ânodo pode ser usado um coletor 16 para proverum lado superior para a crosta porosa 28 e para promover a coleta de fuma-ça usualmente através de um queimador de exaustão tradicional (não mos-trado). A cuba (ou plataforma) 11 de alumínio fundido é suportada em reves-timento de bloco carbonáceo 19 e revestimento carbonáceo socado 20. Osrevestimentos carbonáceos podem ser suportados sobre um enchimento dealumínio 21. Opcionalmente, ele pode ser interposto entre o revestimentosocado e o Iadrilho de pedra 22. Uma camada de tijolo vermelho 23 pode sersituada próximo ao Iadrilho de pedra 22. Um material de mica 18 pode serusado para o propósito de prover um grau extra de segurança contra fluxode corrente através da célula 10.

A corrente de cátodo é suprida através de barras de aço 24, aorevestimento de bloco carbonáceo 19. O suprimento de corrente é indicadopor sinais de mais e menos no ânodo 13 e a barra conectora 24 respectiva-mente.

Uma placa 25, provida sobre a borda superior da carcaça de açopode servir ao propósito de proteger o revestimento carbonáceo quandoa crosta porosa 28 está sendo rompida para o propósito de alimentar alumi-na adicional ao banho 12. A crosta 28 é formada de partículas soltas de a-lumina 29a. Em seu lado inferior, a crosta se torna, em parte, um materialsinterizado rico em alumina 29b. Os parâmetros operacionais são seleciona-dos de tal forma que uma camada agarrada 30 de alumina e banho limita oslados da cuba de metal de alumínio 11 e banho 12. É preferido que a cama-da 30 se estenda pelo menos para baixo ao fundo da inclinação do revesti-mento socado 20.

Como mostrado neste ânodo de Soderberg da técnica anterior,tanto o fundo 3 quanto a lateral 5 são planos, e as bolhas 2 e 4 são essenci-almente presas debaixo do lado do ânodo entre os pólos positivo e negativoem uma camada semicontínua de bolha. No sentido de facilitar a liberaçãodesta bolha, foi desenvolvido o ânodo de Soderberg mostrado nas Figuras 2-5.

Como mostrado nas Figuras 2-5, este novo e aperfeiçoado âno-do à base de carbono tipo Soderberg de auto cozimento 40 tem superfíciesde topo 42, de fundo 44 e laterais 46, a superfície de fundo 44 contatando esendo imersa no eletrólito fundido 12, usualmente um eletrólito de criolita nabase de Na3AIF6(NaF + AIF3), o qual irá operar a uma temperatura de apro-ximadamente 800°C a aproximadamente 1100°C, usualmente desde 900°Ca 1000°C. Uma cuba (ou plataforma) 11 de alumínio produzido é formadadebaixo do eletrólito fundido 12, o alumínio também atuando como cátodo.A barra conectora de cátodo é mostrada como 24 e os condutores metálicosde ânodo como 14. O ânodo de Soderberg 40 pode ser feito tanto de pastaseca como úmida que tipicamente compreende 20% em peso a 30% em pe-so de alcatrão de carvão/piche de petróleo e 70% em peso a 80% em pesode coque calcinado de petróleo. Também mostrados nas Figuras 2-5 estãoos condutores metálicos de ânodo, tais como grampos/tarugos/pinos de aço14 (aqui após "pinos"); metal, tal como invólucro/jaqueta de ânodo aço 15.Também mostrado está o revestimento 20, cuja parte de fundo pode ter umabarra conectora 24. A viga de ânodo 57 para elevar ou abaixar os ânodos étambém mostrada nas Figuras 2 -3. A borda de fundo da ranhura é mostra-da como 63 e o ânodo circundante da ranhura é mostrado como 40.

Como mostrado nas Figuras 2-4, chapas, placas, ou inserções,contendo alumínio fusível, aqui após "inserções de placa" 48 são dispostasdentro do ânodo 40 como camadas ou colunas ao longo do eixo horizontal,tal como o eixo 66, e uma pluralidade de níveis verticais 50. Estas inserçõesde placa são capazes de fundir, enquanto o fundo 44 do ânodo 40 cozinhana criolita fundida 12, para criar ranhuras ocas verticais para fora 52, mos-tradas aqui na forma idealizada como completamente fundidas, melhor mos-tradas na vista lateral das Figuras 3 e 4, no fundo do ânodo. Assim os gasesde ânodo (por exemplo, C02) gerados durante a operação da célula de ele-trólise pode facilmente canalizar através da ranhuras abertas 52 para o ladodo ânodo, como mostrado na Figura 4.

As inserções de placa (por exemplo, placas solidifica-das/fundidas/placas moldadas) podem compreender alumínio e quaisqueroutros níveis de outros materiais que, ao fundirem, não resultem em nívelinaceitável de impurezas no alumínio sendo produzido. Tais outros materiaispodem compreender vários óxidos de alumínio (por exemplo, um ou mais deAI2O3; AI2O3 · H2O; AI2O3 · 2H20 e AI2O3 · 3H20) tais como óxidos de alu-mínio moldados ou fundidos, e/ou criolita (também moldada ou fundida).Como usada aqui, a criolita inclui Na3AIF6, AIF3 e aditivos similares. O alu-mínio pode estar na forma de liga, tal como uma liga de alumínio compreen-dendo um ou mais de Fe, Ni, Cu, Zn, Co, ou outros materiais metálicos. Porexemplo, as inserções de placa podem ser alumínio, tal como consistindoessencialmente em alumínio, ou as inserções de placa podem ser uma ligade alumínio de baixa impureza, por exempio, uma liga de alumínio tendomenos do que aproximadamente 0,1% em peso de Fe; menos do que apro-ximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do que aproximadamente 0,05%em peso de Cu; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Zn;e/ou menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Co, de forma quequando a liga de alumínio funde, a quantidade de componentes não alumíniono produto fundido será comercialmente aceitável. O uso de placas de alu-mínio como um material de placa é também desejável em que o alumíniopermanecerá um sólido durante a etapa de cozimento da pasta de carbono,que ocorre em uma temperatura de entre 300°C a 6Ò0°C.

A altura 54, comprimento 56 e largura das inserções 48 podemser talhadas de acordo com o tamanho do ânodo 40. Para ânodos de So-derberg convencionais, as ranhuras 52 e as inserções de placa 48 geralmen-te têm uma altura 54 desde aproximadamente 6 cm a 50 cm, preferencial-mente 13 cm a 20 cm. Para ânodos convencionais, se as inserções de placasão abaixo de 6 cm, pode ser verificado custo de trabalho aumentado, devi-do ao número de placas que terão que ser inseridas durante a operação dacélula, e para inserções de placa acima de 50 cm, poderia ser possível asangria da pasta se é usado criolita; também, a integridade do ânodo pode-ria estar em risco. Para ânodos convencionais, o comprimento 56 das inser-ções de placa e ranhuras geralmente está na faixa de aproximadamente 50cm a aproximadamente 120 cm, dependendo do comprimento da lateral doânodo. Para ânodos convencionais, se o comprimento da inserção de placaé abaixo de 50 cm, a maior parte da superfície de ânodo não pode ser co-berta pelas ranhuras, e portanto, não é efetiva. Para ânodos convencionais,a largura (espessura) é geralmente entre 0,75 cm e 1,5 cm.

Referindo-se à Figura 4, é mostrada, para uma pintura mais cla-ra da operação da célula, uma vista aumentada parcial da vista lateral daFigura 1. Na Figura 4, o ânodo 40 foi movido para baixo e funde completa-mente a inserção de placa da camada de fundo provendo a ranhura 52 pelocalor do eletrólito fundido, que tem uma temperatura maior do que o pontode fusão da inserção de placa. A inserção de placa fundida cai para a plata-forma metálica, e deixada atrás está uma ranhura retangular, tal como a ra-nhura 52 na Figura 4. Esta ranhura 52 canaliza as bolhas de gás 60 parafora da superfície de ânodo local, mostrada pelas linhas tracejadas 13'.

As inserções de placa 48 são circundadas pelo ânodo, excetoquando as inserções de placa 48 fazem interface com o eletrólito fundido 12de forma que o ânodo continue a reagir com o eletrólito fundido, gerandobolhas 60 e sendo consumido. As bolhas 60 fluirão para dentro das ranhuras52 deixadas depois que as inserções de placa fundem. Geralmente, existecoalescimento em grandes aglomerações de bolhas. Bolhas maiores irãocoalescer ainda mais em um tipo de bolhas de manta gigante 61. As setas 7mostram o caminho para cima das bolhas. Em ambas as Figuras 1 e 4,quando as bolhas deixam o eletrólito 12, elas se tornam parte da atmosferagasosa acima do eletrólito. Também mostrados estão o coletor 16 e as partí-culas soltas de alumina 29a e material rico em alumina sinterizada 29b.

O revestimento de bloco carbonáceo 19 contém barras de cone-xão 24. Os pinos metálicos não são mostrados na Figura 4 por motivo desimplicidade. As inserções de placa de alumínio 48 são interdispersas atra-vés do ânodo 40 em nenhum arranjo necessariamente particular, mas prefe-rencialmente, em camadas múltiplas (por exemplo, uma, duas, três, quatrocamadas ou mais) nas colunas verticais 64, uma abaixo da outra, e alinha-das entre os pinos 14, como melhor mostrado na Figura 2. As inserções deplaca de alumínio 48 são dispostas entre os pinos metálicos 14 como mos-trado na Figura 2. Como mostrado na Figura 5, os pinos metálicos podemser deslocados a um ângulo como mostrado, onde, naquela situação, as in-serções de placa serão também deslocadas e geralmente paralelas aos pi-nos metálicos. Na Figura 5, o conjunto de inserções de placa 48a, corres-pondem às inserções de placa de topo 48a na Figura 2, enquanto as inser-ção de placa mostrada na forma tracejada 48b corresponde à inserção deplaca 48b na próxima coluna e camada, uma camada abaixo na Figura 2.Placa de inserção extremidade com extremidade 48c pode também ser usa-da e pode ser fixada às outras inserções ou separada delas.

As ranhuras 52 podem ser formadas e mantidas nos ânodos deSoderberg inserindo periodicamente inserções de placa 48 dentro da pastade ânodo de carbono não cozida ou briquetes no topo dos ânodos. As pla-cas formando ranhuras são geralmente inseridas em uma posição substan-cialmente vertical dentro da pasta de ânodo de carbono no topo dos ânodosentre os pinos de aço do ânodo 14.

Enquanto o ânodo é consumido, as inserções de placa 48 semovem para baixo juntamente com toda massa de ânodo. Elas irão fundir(deixando espaço livre e formação de ranhuras 52 em contato com eletrólito)e o metal será recuperado na plataforma metálica uma vez que a seção deânodo (com placas) desloca-se para baixo dentro do banho. As inserções deplaca não devem contaminar a qualidade metálica do alumínio.

As Figuras 2-4 mostram onde as placas de alumínio são inse-ridas desde o topo do ânodo juntamente com carregamento de pasta de â-nodo e ranhuras verticais são criadas uma vez que o metal alumínio vazapara fora na cuba de metal abaixo depois que a seção de ânodo se deslocapara baixo e em contato com o banho fundido.

Adicionalmente à disposição das inserções de placa de topo aofundo para fazer ranhuras verticais nos ânodos de Soderberg, as especifica-ções das inserções de placa (ou dimensão das ranhuras) incluindo o númerode inserções de placa usadas, o espaçamento e tamanhos das inserções deplaca são considerados parte da invenção. O número de ranhuras/inserçõesno ânodo de Soderberg pode ser talhado para reduzir o ruído do forno ele-trolítico (por exemplo, aumentando a estabilidade do forno eletrolítico) e re-duzir a queda de voltagem de bolha de gás de ânodo.

Exemplos

É demonstrada na Figura 9, a queda de voltagem de bolha degás de ânodo com e sem ranhuras nos ânodos de Soderberg, a qual é umacomparação da queda de voltagem de bolha de gás de ânodo como medidaem diferentes localizações sobre os ânodos de Soderberg com e sem ranhu-ras. Os ânodos de Soderberg sem ranhuras são mostrados como voltagens120 e os ânodos de Soderberg com ranhuras são mostrados como voltagens125. A queda de voltagem de bolha de gás em ânodos de Soderberg regula-res pode ser maior do que 0,4 V. Quando estão presentes ranhuras nas su-perfície, a queda de voltagem de bolha de gás pode ser reduzida a tão baixaquanto 0,15 V, uma diferença tão alta quanto 0,25 V. Isto é importante por-que este é o potencial de economia de voltagem do forno eletrolítico introdu-zindo ranhuras no ânodo de Soderberg.

A presença das ranhuras reduz o tamanho das bolhas de gás deânodo antes do gás de ânodo liberar/escapar da superfície do ânodo de So-derberg. Está mostrado na Figura 7(a) um potencial de ânodo (em referênciaa um eletrodo metálico de Al) respondendo a processos repetitivos de for-mação de bolhas de gás de ânodo de Soderberg -» coalescimento Iibera-ção desde a superfície onde não existe nenhuma ranhura. Cada pico e valeno espectro representa um ciclo de bolhas de gás desde a formação à libe-ração. A magnitude da flutuação do potencial de voltagem, bem como otempo tomado para cumprir o ciclo, determina o tamanho da formação debolhas de gás de ânodo antes de sua liberação. Quando ranhuras estãopresentes na superfície do ânodo de Soderberg, o tamanho das bolhas degás de ânodo, bem como os processos de formação e liberação das bolhasde gás de ânodo podem ser modificados. Como visto na Figura 7(b), a mag-nitude do potencial de ânodo é substancialmente reduzida. O tamanho dabolha de gás de ânodo grandemente reduzido (formação e liberação sob umânodo de Soderberg) sob a presença de numerosas ranhuras na superfíciedo ânodo de Soderberg se traduz em queda de voltagem de bolha de gás deânodo reduzida e um forno eletrolítico mais estável com ruído reduzido.

São mostradas nas Figuras 8(a) e 8(b), as flutuações de volta-gem em ânodos de Soderberg com e sem ranhuras, respectivamente.A magnitude do tamanho de bolhas de gás de ânodo também traduz a esta-bilidade do forno eletrolítico (ruído). A voltagem do forno eletrolítico flutuadesde um valor baixo de 4,2 V a um valor alto de 4,5 V, enquanto influencia-da principalmente pelos processos de formação e liberação das bolhas degás de ânodo. A magnitude da flutuação da voltagem de célula pode ser re-duzida significativamente com a formação de ranhuras na superfície de So-denberg interrompendo a formação de grandes bolhas de gás na superfíciedo ânodo. A Figura 8(b) mostra uma variação na voltagem de célula vs. tem-po com uma magnitude substancialmente reduzida da flutuação quando ra-nhuras estão presentes. A voltagem de célula varia desde um valor baixo de4,3 V a um valor alto de 4,4 V. A Figura 8(b) mostra uma gravação de tempode voltagem de célula tendo uma flutuação de voltagem muito menor, en-quanto influenciado pelas ranhuras para interromper a formação e liberaçãode bolhas de gás na superfície do ânodo de Soderberg.

Foram testados ânodos de Soderberg experimentais contendoinserções de placas de alumínio dispostas verticalmente as quais fundiramem um banho de criolita quente a aproximadamente 1000°C vs. ânodos deSoderberg tradicionais sem ranhuras para diferenças em ruído de bolha, de-finido como diferença de pico a pico de voltagem de "curto termo" de fornoeletrolítico. O resultado indicou que células de Soderberg "ranhuradas" temum potencial maior para reduzir o ruído de bolhas de gás devido ao maiorruído associado com o grande tamanho do ânodo de Soderberg único.

Como mostrado na Figura 6, o ruído do forno eletrolítico foi ge-ralmente maior nos fornos eletrolíticos de Soderberg com ânodos tradicio-nais do que um forno eletrolítico com ânodos contendo ranhuras. Os ânodosde Soderberg tradicionais com ruído alto são mostrados como 100, e osânodos de Soderberg tradicionais com ruído baixo são mostrados como 105,enquanto os ânodos de Soderberg ranhurados são mostrados como 110.O ruído do forno eletrolítico foi menor no ânodo de Soderberg com ranhuras110, (0,04 - 0,05 volts). Houve uma redução de 80% no ruído de forno ele-trolítico quando comparando com fornos eletrolíticos tradicionais com ruídoalto 100, (-0,200 volts). Houve uma redução de 40% no ruído de forno eletro-lítico quando comparando com fornos eletrolíticos tradicionais com ruído bai-xo 105. Isto significa que em média, as ranhuras podem reduzir o ruído deforno eletrolítico tanto quanto 0,100 volts. Menos ruído de forno eletrolíticotambém significa melhor operação de forno eletrolítico e eficiência de corren-te alta.

Embora várias modalidades da presente invenção tenham sidodescritas em detalhe, é claro que modificações e adaptações daquelas mo-dalidades ocorrerão àqueles entendidos na técnica. No entanto, deve serexpressamente entendido que tais modificações e adaptações estão dentrodo espírito e escopo da presente invenção.

Claims (18)

1. Ânodo de carbono do tipo de autocozimento de Soderbergconsumível em eletrólito fundido, tendo superfícies de topo, fundo e laterais,em que o ânodo de carbono tem uma pluralidade de inserções de placa dis-postas verticalmente selecionadas de um grupo que consiste em alumínio,óxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, fusível no eletrólito decriolita, sendo as ditas inserções de placa capazes de fundir para criar pon-tos ocos no fundo do ânodo, permitindo quaisquer bolhas de gás geradas naoperação do ânodo passar através das ranhuras para o lado do ânodo.

2. Ânodo de carbono de acordo com a reivindicação 1, em queas inserções de placa são alumínio.

3. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa são alumínio de baixaimpureza, tendo a liga menos do que aproximadamente 0,1% em peso deFe; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do queaproximadamente 0,05% em peso de Cu; menos do que aproximadamente-0,02% em peso de Zn; e menos do que aproximadamente 0,02% em pesode Co.

4. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa têm uma altura de apro-ximadamente 6 cm a aproximadamente 50 cm e uma largura de aproxima-damente 0,75 cm a aproximadamente 1,5 cm.

5. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa mais no topo são dispos-tas entre os pinos de metal condutor.

6. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que o ânodo compreende alcatrão de carvão e pi-che de petróleo.

7. Célula de eletrólise de alumínio compreendendo:(1) pelo menos um ânodo de carbono tipo Soderberg de autocozimento, consumível, tendo superfícies de topo, de fundo e laterais compinos de metal verticais conduzindo eletricamente dentro do corpo do ânodo;(2) um eletrólito fundido no qual o pelo menos um ânodo de car-bono é colocado de forma que as superfícies de fundo do ânodo contatem oeletrólito para auto cozer o fundo do ânodo, e onde bolhas de gás são gera-das na superfície de fundo do ânodo;(3) meios para mover verticalmente o pelo menos um ânodo decarbono em uma direção para baixo no eletrólito fundido enquanto o pelomenos um ânodo de carbono é consumido pelo eletrólito; e(4) uma pluralidade de camadas de inserções de placa selecio-nadas de um grupo consistindo em alumínio, óxido de alumínio, criolita emisturas dos mesmos, dentro do pelo menos um ânodo de carbono, cujasinserções de placa fundirão com movimento para baixo do ânodo dentro doeletrólito fundido para prover ranhuras ocas comunicando com o eletrólito,cujas ranhuras podem canalizar as bolhas de gás desde o fundo do pelomenos um ânodo de carbono dentro do eletrólito.

8. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 7, em queo pelo menos um ânodo de carbono compreende alcatrão de carvão e pichede petróleo.

9. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 7, em queo eletrólito fundido é um banho de criolita fundida e as inserções de placasão alumínio.

10. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 e 8, em que o eletrólito fundido é um banho de criolita fundida eas inserções de placa são de um alumínio de baixa impureza, tendo a ligamenos do que aproximadamente 0,1% em peso de Fe; menos do que apro-ximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do que aproximadamente 0,05%em peso de Cu; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Zn; emenos do que aproximadamente 0,02% em peso de Co.

11. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 10, em que o eletrólito fundido tem uma temperatura desde a-proximadamente 800°C a aproximadamente 1100°C.

12. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 10, em que o eletrólito fundido tem uma temperatura desdeaproximadamente 900°C a aproximadamente 1000°C.

13. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações T- 12, em que as inserções de placa têm uma altura de aproxima-damente 6 cm a aproximadamente 50 cm e uma largura de aproximadamen-te 0,75 cm a aproximadamente 1,5 cm.

14. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7-13, em que as inserções de placa mais no topo são dispostasentre os pinos de metal condutor.

15. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 14, em que as bolhas de gás geradas não coalescem em aglo-merações grandes de bolhas no fundo do ânodo.

16. Método de produzir um ânodo de Soderberg compreendendo:adicionar pasta de carbono a uma parte superior de um invólucrointerconectado a um ânodo de Soderberg;inserir uma pluralidade de placas fusíveis dentro da pasta decarbono; eabaixar a pasta de carbono em direção ao eletrólito fundido.

17. Método de produzir alumínio, compreendendo o método:contatar um eletrólito fundido com um ânodo de Soderberg;aquecer o eletrólito fundido a uma temperatura de desde apro-ximadamente 900°C a aproximadamente 1000°C;dissolver a placa contida no ânodo para formar uma ranhura, emque os gases gerados durante o aquecimento do eletrólito fundido pode pas-sar através da ranhura e afastado do ânodo de Soderberg.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, em que os gasesgerados passam através da ranhura sem tampar a ranhura.