BRPI0809671B1

BRPI0809671B1 - método para operar células eletrolíticas do tipo hall-heroult para produção de alumínio conectadas em série, e, células eletrolíticas do tipo hall-heroult para produção de alumínio

Info

Publication number: BRPI0809671B1
Application number: BRPI0809671A
Authority: BR
Inventors: Droste Christian; Ovstetun Frank
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2018-10-30
Also published as: CN101663422B; EA200901330A1; NO20071766L; NO331318B1; AU2008233392B2; EP2150639B1; CA2681205C; ZA200906503B; CA2681205A1; EA016404B1; WO2008120993A1; EP2150639A4; EP2150639A1; BRPI0809671A2; NZ579815A; AU2008233392A1; CN101663422A

Description

(54) Título: MÉTODO PARA OPERAR CÉLULAS ELETROLÍTICAS DO TIPO HALL-HEROULT PARA PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO CONECTADAS EM SÉRIE, E, CÉLULAS ELETROLÍTICAS DO TIPO HALL-HEROULT PARA PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO (73) Titular: NORSK HYDRO ASA, Companhia Norueguesa. Endereço: N-0240 Oslo, NORUEGA(NO) (72) Inventor: FRANK OVSTETUN; CHRISTIAN DROSTE

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 30/10/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 30/10/2018

Assinado digitalmente por:

Liane Elizabeth Caldeira Lage

Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados “MÉTODO PARA OPERAR CÉLULAS ELETROLÍTICAS DO TIPO HALL-HEROULT PARA PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO CONECTADAS EM SÉRIE, E, CÉLULAS ELETROLÍTICAS DO TIPO HALL-HEROULT PARA PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO”

A presente invenção diz respeito a aperfeiçoamentos em células eletrolíticas conectadas em série e a um método para operar as mesmas. Em particular, a invenção diz respeito a um sistema de barras coletoras e a distribuição de corrente elétrica em células do tipo Hall-Heroult para produção de alumínio.

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

Para um bom entendimento da invenção, deve-se primeiro lembrar que a produção industrial de alumínio se dá por eletrólise em células, que são eletricamente conectadas em série, com uma solução de alumina em criolita fundida aquecida a uma temperatura tipicamente entre 940 e 980 °C, pelo efeito de aquecimento da corrente que passa pela célula.

Cada célula é constituída por um recipiente de aço em forma de paralelepípedo isolado que suporta um cátodo contendo blocos de carbono pré-cozidos nos quais existem algumas hastes de aço seladas, conhecidas como barras coletoras de corrente do cátodo, que conduzem a corrente para fora da célula, tradicionalmente a aproximadamente 50 % de cada um dos lados longitudinais da célula. As saídas das barras coletoras de corrente do cátodo são conectadas no sistema de barras coletoras, que serve para conduzir a corrente dos catodos para os anodos da célula seguinte. O sistema do anodo, composto de carbono, aço e alumínio, é fixado em uma assim chamada armação do anodo, com as hastes do anodo ajustáveis na altura e eletricamente conectadas nas hastes do cátodo da célula anterior.

O eletrólito, que é a solução de alumina em uma mistura de criolita fundida a 940-980 °C, fica localizado entre o sistema do anodo e o cátodo. O alumínio produzido é depositado na superfície do cátodo. Uma

Petição 870180058799, de 06/07/2018, pág. 9/15 camada de alumínio líquido é mantida permanentemente na base do cadinho do cátodo. Como o cadinho é retangular, a armação do anodo que suporta os anodos é no geral paralela aos seus lados maiores, ao passo que as hastes do cátodo são paralelas aos seus lados menores conhecidos como cabeças de célula.

Um campo magnético principal na célula é criado pela passagem de corrente no anodo e no sistema do cátodo. Todas as outras passagens de corrente darão perturbações neste campo principal criado.

As células ficam arranjadas em fileiras e podem ser dispostas 10 transversalmente em uma orientação lado a lado; seus lados menores são paralelos ao eixo geométrico da linha das cubas. Alternativamente, dispostos longitudinalmente em uma orientação extremidade a extremidade, seus lados maiores são paralelos ao eixo geométrico da linha das cubas. Normalmente, uma Unha de cubas é representada por duas fileiras de células. A corrente tem direções opostas nas duas fileiras. As células são eletricamente conectadas em série, as extremidades da série sendo conectadas nas saídas positiva e negativa de uma subestação elétrica de retificação e controle. A corrente elétrica que passa pelos vários elementos condutores: sistema do anodo, eletrólito, metal líquido, sistema do cátodo e seus condutores de conexão correspondentes, cria grandes campos magnéticos. Esses campos, junto com a corrente elétrica no eletrólito líquido e metal, formam a base para o comportamento Magneto HidroDinâmico (MHD) no eletrólito e no metal líquido contido no cadinho. As assim chamadas forças de LaPlace, que criam fluxo de eletrólito e de metal, são também prejudiciais à operação estável (estabilidade) da célula.

Adicionalmente, o desenho da célula e sua configuração de barra coletora também afetarão como a corrente elétrica que atravessa a célula é distribuída.

Deve-se entender que a invenção pode ser igualmente implementada em células arranjadas lado a lado, bem como extremidade a extremidade. O peso e correspondentemente os custos relativos ao sistema de barras coletoras é de

Petição 870180058799, de 06/07/2018, pág. 10/15 importância para apresentar uma tecnologia de fusão de preço competitivo.

Normalmente, a distribuição de corrente no sistema do anodo é basicamente afetada pelo arranjo dos anodos na célula, bem como pelo desenho da configuração de toco do suspensor do anodo e de sua interface no anodo individual.

Quando vai para o sistema do catodo, ela é normalmente projetada de uma maneira onde as barras coletoras são embutidas em blocos de catodo individuais de uma maneira horizontal. Esta solução tecnológica tem se mostrado bastante confiável com relação a problemas com vazamentos do metal fundido ou banho líquido através do sistema do catodo. Adicionalmente, as barras coletoras serão protegidas pelo material do catodo em volta (material a base de carbono) que é altamente resistente a altas temperaturas e ataques corrosivos. Normalmente, as barras coletoras coletam a corrente fora da blindagem do catodo. Um inconveniente desta tecnologia anterior é que a distribuição de corrente no sistema do catodo será mais intensa na periferia dos blocos de catodo do que em qualquer outro lugar. Adicionalmente, a tecnologia baseada em embutimento homogêneo das barras coletoras em fendas formadas no lado de baixo dos blocos do catodo fará com que a distribuição de corrente ao longo da barra coletora para dentro em direção à outra extremidade do bloco do catodo diminua bem proporcionalmente com a distância do coletor da barra coletora. Portanto, a corrente deve vantajosamente ser distribuída de uma maneira predefinida, e em áreas mais apropriadas do sistema do catodo, para obter uma distribuição de corrente uniforme. Adicionalmente, corrente que é levada para fora do sistema do catodo no assim denominado lado à montante do catodo tem que ser levada em direção ao assim denominado lado à jusante do catodo e adicionalmente para o sistema do anodo da célula vizinha na série. Esta maneira de conduzir corrente (à montante nas partes do catodo e subsequentemente à jusante no sistema de barras coletoras) representará um sistema onde as partes da corrente da célula são levadas a uma maior distância do que a estritamente necessária.

COLOCAÇÃO DO PROBLEMA

O desenho da distribuição de corrente do cátodo e do sistema de barras coletoras correspondente para células de produção de alumínio reconhecidamente representa uma das atividades chaves mais qualificadas no desenvolvimento de uma tecnologia de redução de alumínio competitiva.

O projetista deve ter diversos graus de liberdade no processo de desenvolvimento de um sistema de cátodo ideal, usando habilidade para selecionar uma configuração (topologia) que pode resultar em uma distribuição de corrente ideal.

Sabe-se que, se corrente puder ser derivada do sistema de cátodo em pontos ou áreas pré-selecionados, assistido por cálculos e simulações, deve ser possível melhorar a distribuição de corrente no sistema do cátodo. Entretanto, isto implicará que o sistema do cátodo deve ser penetrado pelo menos parcialmente de baixo para cima e deve ser preferivelmente conectado nas barras coletoras de corrente horizontais, por meio de condutores ou plugues de corrente, tal como descrito no pedido de patente norueguês não publicado do requerente 20064165.

TECNOLOGIA ANTERIOR

A patente U.S. 3.470.083, depositada em outubro de 1964, revela uma base de cátodo de célula eletrolítica com condutores de corrente inseridos verticalmente. Bicos cilíndricos são inseridos em furos verticais do cátodo, embutidos por um material vazado. Cada plugue individual é conectado a um elemento condutor de corrente arranjado fora do cátodo. Os elementos condutores de corrente são adicionalmente estendidos em direção aos lados da célula e são conectados a um sistema de barras coletoras que envolve a cuba. A solução apresentada nesta patente procura solucionar os problemas relacionados a barras coletoras convencionais, entre aqueles causados por expansão térmica diferente do material de carbono e os trilhos de ferro (barras coletoras) que causa considerável tensões mecânicas que leva à formação de trincas transversais nos blocos de carbono. Entretanto, a solução não apresenta aperfeiçoamentos no sistema de barras coletoras tal como o da presente invenção.

De acordo com a presente invenção, a distribuição de corrente no sistema de catodo e correspondentemente o esquema do sistema de barras coletoras pode ser melhorado por causa da aplicação de pelo menos uma saída de corrente arranjada entre as extremidades do catodo. A presente invenção inclui a aplicação de condutores de corrente verticais. Adicionalmente, os condutores de corrente (saídas de corrente) podem vantajosamente ser eletricamente conectados nos elementos barras coletoras horizontais que podem estender-se parcial ou completamente através do bloco do catodo. Neste último, sua(s) extremidade(s) mais externa pode(m) ser conectada(s) no sistema de barras coletoras para a célula.

A distribuição de corrente catódica preferida dependerá da característica do sistema de barras coletoras. Ele pode ser bastante diferente para modernizar a invenção nos sistemas de barra coletora existentes, por um lado, ou para um novo desenho de sistema de barras coletoras, por outro lado.

Consequentemente, a quantidade preferida de corrente conduzida para fora das saídas verticais pode ser na faixa de 20-100 %, com 100 % representando um desenho apenas com saídas verticais.

A quantidade de condutores de corrente pode ser relativamente pequena, por exemplo, em uma modalidade, aplicando uma quantidade normalmente usada de barras coletoras horizontais. De acordo com a presente invenção, os efeitos de MHD em uma célula eletrolítica podem ser melhorados, e é possível simplificar o desenho da barra coletora da dita célula reduzindo-se seu peso. Em decorrência disto, os custos de investimento podem ser reduzidos.

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De acordo com a presente invenção, definida nas reivindicações anexas, pode-se obter um sistema de barras coletoras otimizado que supera as desvantagens principais dos desenhos da tecnologia anterior. Adicionalmente, as reivindicações anexas definem um método para operar uma célula com o sistema de barras coletoras melhorado.

A presente invenção será a seguir descrita pelas figuras e exemplos, onde:

A figura 1 revela em perspectiva um esquema de um sistema de barras coletoras de acordo com a presente invenção, as células sendo arranjadas lado a lado;

A figura 2 revela em uma vista de topo o mesmo esquema revelado na figura 1;

A figura 3 representa uma segunda modalidade da invenção e revela em perspectiva um esquema diagramático de um sistema de barras coletoras onde as células estão arranjadas extremidade a extremidade;

A figura 4 revela em uma vista de topo o mesmo esquema revelado na figura 3;

Um propósito do desenho descrito é obter uma baixa queda de tensão do cátodo e uma distribuição de corrente uniforme ou plana na superfície do bloco do cátodo com melhor estabilidade hidrodinâmica magnética. Isto pode ser conseguido por meio de um sistema de barras coletoras simplificado (menor peso e assim mais barato), onde o desenho dos elementos barras coletoras individuais é otimizado.

As figuras 1 e 2 revelam a modalidade de um sistema de barras coletoras 1 que conduz corrente do sistema do cátodo em uma primeira célula eletrolítica para o sistema do anodo na sua célula vizinha. As células são arranjadas lado a lado. Os elementos barras coletoras do sistema do anodo estão indicados como vigas do anodo 2, 3 para conectar eletricamente a estrutura anódica da célula. Anodos individuais estão indicados por A, Al.

Adicionalmente, estão mostrados elevadores do anodo, um deles denotados com o sinal de referência 6. No sistema do cátodo da primeira célula mencionada, estão mostrados alguns elementos principais do sistema da barra coletora. Primeiramente, no lado à jusante do sistema do cátodo estão arranjadas conexões 7 para conduzir corrente das saídas da barra coletora do cátodo (não mostrado) para uma barra coletora arranjada à jusante 10 que, por sua vez, é conectada nos elevadores supramencionados.

Para a condutância de corrente de uma região intermediária do cátodo, existem arranjadas uma ou mais conexões que, por sua vez, são eletricamente conectadas a uma barra coletora intermediária 11. A conexão 8 é por outro lado eletricamente conectada a uma saída de corrente correspondente no cátodo (não mostrado).

No lado à montante do sistema do cátodo existe arranjada uma barra coletora 12 com diversas conexões 9 para conduzir corrente das extremidades da barra coletora do cátodo.

Além do mais, estão mostrados elementos barras coletoras tais como 13, 15, 16, que conduzem corrente do sistema do cátodo para o lado à jusante do cátodo e adicionalmente para os elevadores correspondentes 6.

Em particular, o elemento barra coletora 13 pode ficar arranjado fora do piso da instalação da célula para compensar perturbações magnéticas indesejadas. Como o esquema da barra coletora nesta modalidade é de um tipo simétrico, um elemento barra coletora similar fica arranjado na extremidade oposta da célula.

O elemento barra coletora 15 e os elementos correspondentes

16, etc. em direção ao lado oposto da célula conduzem corrente da barra coletora intermediária 11 arranjada no sistema do cátodo e adicionalmente para a barra coletora 10.

Similarmente, um ou mais elementos barra coletora 17 podem ficar arranjados por baixo da blindagem do cátodo para otimizar a compensação do campo magnético. Tais elementos são preferivelmente arranjados com uma simetria deslocada (não mostrada) para otimizar o efeito da compensação do campo magnético.

Pelo arranjo supramencionado, o sistema de barras coletoras 5 pode conduzir corrente de ambas as saídas de corrente arranjadas no lado à montante e à jusante do sistema do catodo, junto com uma ou mais posições intermediárias, de uma maneira vantajosa com relação à obtenção de uma distribuição de corrente uniforme na estrutura do catodo da célula, e adicionalmente reduzir o peso do sistema de barras coletoras como um todo.

A figura 3 revela uma segunda modalidade da invenção, onde é revelado em perspectiva um esquema diagramático de um sistema de barras coletoras, as células sendo arranjadas extremidade a extremidade. A figura 4 revela em uma vista de topo o mesmo esquema revelado na figura 3.

Nas figuras, o sistema de barras coletoras 100 conduz corrente 15 do sistema do catodo em uma primeira célula eletrolítica para o sistema do anodo na sua célula vizinha. Os elementos barras coletoras do sistema do anodo estão indicados como vigas do anodo 202, 203 para conectar eletricamente a estrutura anódica da célula. Anodos individuais estão indicados por A, A'. Adicionalmente, estão mostrados elevadores do anodo

206, 206’, 206, 206’.

No sistema do catodo da primeira célula mencionada, estão mostrados alguns elementos principais do sistema de barras coletoras. Em cada lado longitudinal da estrutura do catodo estão arranjadas barras coletoras 210, 212 com conexões elétricas 207, 209 que são eletricamente conectadas nas barras coletoras do catodo (não mostradas). As barras coletoras 210, 212 são, por outro lado, conectadas nos elevadores do anodo 206, 206' e por meio dos elementos barras coletoras 218, 219 nos elevadores do anodo 206, 206' da célula vizinha.

Para a condutância de corrente de uma região intermediária do

Petição 870180058799, de 06/07/2018, pág. 12/15 catodo, existem arranjadas uma ou mais conexões 208 que, por sua vez, são eletricamente conectadas a uma barra coletora intermediária 211. A conexão 208 é, por outro lado, eletricamente conectada a uma saída de corrente correspondente no catodo (não mostrado). A barra coletora intermediária 211 é adícionalmente conectada nos elementos barras coletoras 218, 219 por meio dos elementos barras coletoras 220, 221, 22.

Pelo arranjo supramencionado, o sistema de barras coletoras pode conduzir corrente de ambas as saídas de corrente arranjadas em ambos os lados do sistema do catodo junto com uma ou mais posições intermediárias de uma maneira vantajosa com relação à obtenção de uma distribuição de corrente uniforme na estrutura do catodo da célula, e adicionalmente para reduzir o peso do sistema de barras coletoras como um todo.

Deve-se entender que combinações e arranjos adicionais dos elementos barras coletoras poderíam ser conseguidos pelos preceitos da presente invenção.

A quantidade de corrente que é distribuída através dos elementos barras coletoras individuais pode ser pré-calculada e otimizada, assistido pelo software de projeto e experimentos de verificação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para operar células eletrolíticas do tipo Hall-Heroult para produção de alumínio conectadas em série, onde a corrente elétrica é conduzida para a primeira célula por meio de um arranjo de anodo arranjado

5 na parte superior da célula, através de um eletrólito eletricamente condutor e um catodo horizontal, e adicionalmente para um arranjo do anodo de uma célula vizinha, por meio de um sistema de barras coletoras (1), com vigas de anodos (2, 3), as células compreendendo uma estrutura de catodo horizontal de um material eletricamente condutor e ainda tendo barras coletoras

10 horizontais embutidas nelas, onde a corrente é conduzida para fora do catodo por pelo menos uma extremidade horizontal da(s) dita(s) barra(s) coletor(as), através de conexões (7, 9) de pelo menos uma das barras coletoras (10, 12), e adicionalmente ao dito arranjo do anodo da célula vizinha através de um ou mais elevadores (6) e vigas de anodo (2, 3), em que a corrente elétrica é

15 conduzida para fora da célula através de pelo menos uma saída de corrente vertical em uma posição intermediária, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma saída de corrente vertical está conectada à(s) conexão(ões) (8) a uma barra coletora intermediária (11) onde a dita barra coletora intermediária (11) é conectada à barra coletora (12) à montante por pelo menos um

20 elemento barra coletora (17) posicionado por baixo da bhndagem do catodo, estando as células dispostas lado a lado.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que corrente elétrica coletada pela barra coletora (11) é ainda conduzida por meio de pelo menos um elemento barra coletora (16) para uma

25 barra coletora (10) arranjada à jusante da barra coletora (11).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de corrente conduzida do catodo através de pelo menos uma posição intermediária é uma proporção pré-calculada daquela da extremidade horizontal da barra coletora.

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4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a quantidade de corrente conduzida das posições intermediárias é na faixa de 20 até 100 % da corrente total.
5. Células eletrolíticas do tipo Hall-Heroult para produção de 5 alumínio, as células sendo conectadas em série por um sistema de barras coletoras (1), as células possuem uma estrutura de catodo horizontal de um material eletricamente condutor e ainda possuem barras coletoras horizontais embutidas nelas, onde a corrente é conduzida do catodo de cada das células por pelo menos uma extremidade horizontal da(s) dita(s) barra(s) coletor(as),

10 através de conexões (7, 9) arranjadas em pelo menos uma barra coletora (10, 12), e ainda através de um ou mais elevadores (
6) e vigas de anodo (2, 3) para o arranjo do anodo de uma célula à jusante, as ditas células compreendem ainda pelo menos uma saída de corrente vertical, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma saída de corrente vertical é conectada com uma barra

15 coletora intermediária (11) do sistema de barra coletora (1) através de conexão(ões) (8), em que a dita barra coletora intermediária (11) está conectada com a barra coletora (12) à montante por pelo menos um elemento de barra coletora (17) posicionado por baixo da bhndagem do catodo, as células estando arranjadas lado a lado.

20 6. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o sistema de barra coletora compreende pelo menos um elemento barra coletora (13) fora da cabeça da célula.
7. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizados pelo fato de que o pelo menos um elemento barra coletora (17)

25 por baixo da bhndagem do catodo está arranjado de maneira simétrica deslocada.

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