ES2236195T3 - Metodo de convertir celdas de hall-heroult en anodos inertes. - Google Patents
Metodo de convertir celdas de hall-heroult en anodos inertes.Info
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Abstract
Un método de modificar una celda de fusión de aluminio, comprendiendo el método separar al menos un ánodo de carbono consumible de una celda en funcionamiento, y reemplazar al menos un ánodo de carbono consumible por al menos un ánodo inerte, método en el que cada uno de los ánodos de carbono consumible se reemplaza por un conjunto de ánodo inerte que comprende más de uno de los ánodos inertes, y en el que el conjunto de ánodo inerte comprende, además, al menos un material térmicamente aislante sobre los ánodos inertes.
Description
Método de convertir celdas de
Hall-Heroult en ánodos inertes.
El presente invento se refiere a celdas de
producción electrolítica de aluminio y, más en particular, se
refiere a un método de conversión de celdas convencionales que
contienen ánodos consumibles en celdas que contienen ánodos
inertes.
Las celdas de fusión de aluminio existentes
emplean ánodos de carbono consumibles que producen CO_{2} y otros
subproductos gaseosos, por lo que deben ser sustituidas
frecuentemente. Los ánodos inertes o no consumibles pueden eliminar
estos problemas, pero la implementación de los ánodos inertes genera
otros retos, tales como el control del balance térmico de la celda.
Además, hay miles de celdas convencionales existentes, y sería
prohibitivo desde un punto de vista de coste sustituirlas todas. Por
lo tanto, se necesita un procedimiento efectivo para la conversión
de las celdas convencionales de Hall-Heroult en
celdas de ánodo inertes para la producción de aluminio.
De acuerdo con el presente invento, se
proporciona un método para la modificación de una celda de aluminio
de fusión, comprendiendo el método eliminar al menos uno de los
ánodos de carbono consumibles de una celda en funcionamiento, y
reemplazar al menos un ánodo de carbono consumible por al menos un
ánodo inerte; en donde cada uno de los ánodos consumibles de carbono
se sustituye por un conjunto de ánodo inerte que contiene más de
uno de los ánodos inertes; y en el que el conjunto del ánodo inerte
comprende además, un material de aislamiento por encima de los
ánodos inertes.
La Figura 1 es una vista esquemática lateral
parcial de una celda convencional de producción de aluminio, que
incluye ánodos de carbono consumibles convencionales.
La Figura 2 es una vista esquemática lateral
parcial de una celda de producción de aluminio modificada con los
conjuntos de ánodos inertes de acuerdo con una realización del
presente invento.
La Figura 3 es una vista lateral en sección de un
conjunto de ánodo inerte, destinado a reemplazar un ánodo de
carbono consumible convencional por una realización del presente
invento.
La Figura 4 es una vista superior del conjunto de
ánodo inerte de la Figura 3.
La Figura 5 es una vista plana esquemática
parcial de una celda de producción de aluminio que incluye una
serie de conjuntos de ánodos inertes que pueden instalarse de
acuerdo con una realización del presente invento.
Un aspecto del presente invento es proporcionar
un método de modificación de celdas de fusión de aluminio. Este
método incluye los pasos de eliminar al menos un ánodo de carbono
consumible de una celda en funcionamiento, y sustituir al menos un
ánodo de carbono consumible por al menos un ánodo inerte. Los ánodos
inertes pueden precalentarse antes de la instalación, por ejemplo a
una temperatura aproximada a la temperatura del baño de la celda.
En una realización, la distancia ánodo-cátodo de
los ánodos consumibles de carbono se aumenta antes de que sean
reemplazados. Los ánodos inertes se instalan a continuación en
serie a una distancia intermedia ánodo-cátodo.
Este y otros aspectos del presente invento
resultarán más evidentes a partir de la descripción siguiente.
La Figura 1 ilustra de forma esquemática una
celda 1 convencional de producción de aluminio, que incluye ánodos
de carbono consumibles 2 que pueden reemplazarse por conjuntos de
ánodos inertes de acuerdo con el presente método. La celda 1
incluye un material refractario 3 soportado por una protección de
acero. Un cátodo 4 hecho de carbono o de un material similar está
situado sobre el material refractario 3. Se conecta un colector de
corriente 5 al cátodo 4. Durante el funcionamiento de la celda 1,
se forma aluminio fundido 6 sobre la superficie del cátodo 4. Los
ánodos de carbono consumibles 2 están sumergidos en un baño
electrolítico 7 a un nivel definido por una distancia
ánodo-cátodo ACD. Normalmente se forma una costra
congelada 8 del material de baño alrededor de los lados de la celda
1.
La Figura 2 ilustra una celda de producción de
aluminio 10 que ha sido modificada con conjuntos de ánodos inertes
12 de acuerdo con una realización del presente modo. El conjunto 12
de ánodos inertes que se muestra en la Figura 2 reemplaza a los
ánodos de carbono consumibles convencionales 2 mostrados en la
Figura 1. Los conjuntos 12 de ánodos inertes se sumergen en el baño
electrolítico a un nivel definido por la distancia
ánodo-cátodo ACD. Cada ánodo de carbono 2 puede
reemplazarse por un conjunto de ánodo inerte 12, como se ilustra en
las Figuras 1 y 2. Alternativamente, la celda de la modificación 10
puede incluir más o menos conjuntos 12 de ánodo, en comparación con
el número de ánodos de carbono 2 que se usan en la celda
convencional 1.
Como se muestra en la Figura 2, cada conjunto 12
de ánodo inerte que puede reemplazar un ánodo de carbono consumible
incluye una disposición sustancialmente horizontal de ánodos
inertes 14, que están posicionados por debajo del material de
aislamiento térmico 18. Opcionalmente, se puede proporcionar
adicionalmente un reborde periférico (que no se muestra) que se
extiende hacia dentro, alrededor del borde superior de la celda 10,
entre la protección de acero o el material refractario 3 y el
conjunto 12 de ánodos inertes, con el fin de proporcionar un
aislamiento térmico adicional.
Las Figuras 3 y 4 ilustran un conjunto 12 de
ánodos inertes que se puede instalar en una celda de acuerdo con
una realización del presente invento. El conjunto 12 incluye una
disposición sustancialmente horizontal de ánodos inertes 14. En la
realización que se muestra en las Figuras 3 y 4, se usan once ánodos
inertes 14 escalonados. Sin embargo, se puede usar cualquier número
apropiado y cualquier disposición de ánodos inertes. Tal y como se
muestra en la Figura 3, cada ánodo inerte 14 está sujetado
eléctrica y mecánicamente por medio de un conector 16 a una tapa
aislante 18. La tapa aislante 18 está conectada a un miembro
soporte conductor eléctrico 20.
Se puede usar cualquier forma o tamaño deseado de
ánodo inerte. Por ejemplo, los ánodos inertes 14 con forma
sustancialmente de copa mostrados en las Figuras 3 y 4 pueden tener
diámetros de desde aproximadamente 12,5 hasta aproximadamente 75
centímetros, y alturas de desde aproximadamente 12,5 a
aproximadamente 37,5 centímetros. La composición de cada ánodo
inerte 14 puede incluir cualquier metal, material cerámico, o
combinación de metal y material cerámico, etc. apropiado, que
posea la resistencia a la corrosión y la estabilidad apropiadas
durante el proceso de producción de aluminio. Por ejemplo, las
composiciones de ánodos inertes descritas en las patentes de EE.UU.
números 4.374.050, 4.374.761, 4.399.008, 4.455.211, 4.582.585,
4.584.172, 4.620.905, 5.794.112 y 5.865.980, y la solicitud de
patente de EE.UU. número de serie 09/629.332, presentada el 1 de
agosto de 2000, pueden ser apropiadas para su uso en los ánodos
inertes 14. Se prefieren particularmente composiciones de ánodos
inertes que comprenden materiales de combinaciones de material
cerámico y metal que incluyen una fase de un óxido de
Fe-Ni-Zn o un óxido de
Fe-Ni-Co en combinación con una fase
de metal tal como Cu y/o Ag. Cada ánodo inerte 14 puede comprender
un material uniforme a lo largo de todo su espesor, o puede incluir
un material más resistente a la corrosión en las regiones expuestas
al baño electrolítico. Los ánodos inertes vacíos o en forma de copa
pueden rellenarse con un material de protección, como se muestra en
la Figura 3, con la finalidad de reducir la corrosión de los
conectores y la interfaz entre los conectores y los ánodos
inertes.
Los conectores 16 pueden estar hechos de
cualquier material apropiado que suministre suficiente
conductividad eléctrica y soporte mecánico para los ánodos inertes
14. Por ejemplo, cada uno de los conectores 16 puede estar hecho de
Inconel. Opcionalmente, se puede proporcionar un núcleo de un metal
altamente conductor, tal como cobre, dentro de un manguito de
Inconel. Los conectores 16 pueden estar sujetos a los ánodos
inertes 14 por cualquier medio apropiado, tal como soldadura fuerte,
sinterización y sujeción mecánica. Por ejemplo, un conector que
comprenda un manguito de Inconel y un núcleo central de cobre puede
estar sujeto a un ánodo inerte en forma de copa rellenando la parte
inferior del ánodo inerte con una mezcla de polvo de cobre y
pequeñas perlas de cobre, y sinterizando a continuación la mezcla
para fijar el núcleo de cobre al interior del ánodo. Cada conector
16 puede incluir opcionalmente componentes separados para dotar de
soporte mecánico y de corriente eléctrica a los ánodos inertes
14.
De acuerdo con una realización preferida, se usa
un aislamiento para conservar una porción sustancial del calor que
se pierde en la actualidad de las celdas convencionales, mientras
que a la vez se evitan aumentos indeseables del voltaje total. Es
posible instalar un paquete de aislamiento en la parte superior de
la celda que puede resistir condiciones severas. Como se muestra en
la realización de la Figura 3, la tapa de aislamiento 18 puede
soportar mecánicamente y proporcionar una conexión eléctrica a cada
conector 16. La tapa de aislamiento 18 incluye preferiblemente una
o más capas de aislamiento térmico de cualesquiera composiciones
apropiadas. Por ejemplo, se puede proporcionar un material de
aislamiento refractario altamente resistente a la corrosión en las
regiones expuestas de la tapa de aislamiento 18, mientras que se
puede proporcionar un material con propiedades de aislamiento
térmico elevadas en las regiones interiores. La tapa de aislamiento
18 puede incluir también una placa de metal eléctricamente
conductor, que proporciona un paso de la corriente desde el miembro
de soporte conductor 20 a los conectores 16, tal y como se muestra
en la Figura 3. La placa de metal conductora puede estar al menos
parcialmente cubierta por un material térmicamente aislante y/o un
material resistente a la corrosión (que no se muestra). Aunque no se
muestra en la Figura 3, se pueden suministrar de forma opcional
elementos eléctricamente conductores, tales como bridas de cobre,
entre el miembro de soporte conductor 20 y los conectores 16.
La Figura 5 ilustra la parte superior de una
celda 30 que ha sido modificada con conjuntos 12 de ánodos inertes
de acuerdo con una realización del presente invento. La celda
modificada 30 puede consistir en un diseño convencional de
Hall-Heroult, con un cátodo y material aislante 3
encerrado en una envuelta de acero. Cada ánodo convencional de
carbono se ha sustituido por un conjunto 12 de ánodo inerte y, por
lo demás, se ha sujetado al puente de una manera normal. Los
conjuntos 12 de ánodo inerte pueden consistir en una placa metálica
distribuidora, que distribuye la corriente a una disposición de
ánodos a través de una patilla metálica conductora sujetada a cada
uno de los extremos de la placa y el ánodo, como se ha descrito
previamente en la realización de las Figuras 3 y 4.
En la realización mostrada en la Figura 5, la
celda modificada 10 contiene una disposición de dieciséis conjuntos
12 de ánodos inertes. Cada uno de los conjuntos 12 sustituye un
ánodo de carbono consumible sencillo de la celda. Cada uno de los
conjuntos 12 de ánodos inertes puede incluir múltiples ánodos
inertes, por ejemplo como se muestra en la Figura 4. Durante la
operación de la sustitución de ánodos, los ánodos consumibles de
carbono originales pueden ser sustituidos, en serie, por un conjunto
12 de ánodo inerte. La celda 10 puede dividirse en sectores que
contengan ánodos consumibles de carbono múltiples. Por ejemplo, la
celda 10 de la Figura 5 puede dividirse en cuadrantes, cada uno de
los cuales puede contener cuatro ánodos consumibles. Se pueden
sustituir los ánodos en un cuadrante, a continuación se pueden
sustituir los ánodos de otro cuadrante, etc. Alternativamente, se
puede reemplazar los ánodos en serie desde un extremo de la celda
hasta el extremo opuesto de la celda. Como otro ejemplo, los
ánodos pueden reemplazarse en serie, desde una zona central de la
celda y hacia zonas exteriores de la celda.
Un procedimiento de conversión de acuerdo con el
presente invento es el siguiente: reemplazar en serie todos los
ánodos de carbono por conjuntos de ánodos inertes en una celda o
cámara en funcionamiento; y reemplazar cualquier material de
cobertura existente por una cubierta de ánodo, tal como paquetes de
aislamiento y/o una mezcla de alúmina y baño exprimido.
Opcionalmente, la cámara puede hacerse funcionar durante un tiempo
hasta que el nivel de carbono en el baño se reduzca a un nivel
mínimo estable, y la serie inicial de conjuntos de ánodos inertes
se pueda reemplazar por un juego permanente de ánodos inertes. En
esta realización, el juego inicial de conjuntos de ánodos inertes
puede proporcionar un juego transicional para conversiones de otras
cámaras.
Se puede usar el siguiente proceso de conversión
paso por paso:
- (1)
- ajustar el contenido en alúmina en el baño de 5,5 a 8,5 por ciento, preferiblemente de 6,2 a 6,8 por ciento, dependiendo de la relación y la temperatura;
- (2)
- aumentar la distancia ánodo-cátodo de los ánodos de carbono para compensar la resistencia aumentada de los ánodos inertes;
- (3)
- precalentar los conjuntos de ánodos inertes a aproximadamente la temperatura de la celda en un horno separado, con una tasa de aumento que no exceda los 100 grados centígrados por hora;
- (4)
- romper la costra alrededor de los ánodos de carbono que se vayan a reemplazar, y retirar los ánodos;
- (5)
- limpiar los trozos del baño y los pedazos de ánodo de la posición del ánodo abierto;
- (6)
- retirar el ánodo inerte equivalente del horno de precalentamiento e instalarlo rápidamente en la posición vacante, en lugar del ánodo de carbono;
- (7)
- instalar las cubiertas aisladas lateral y central correspondientes a las posiciones de los ánodos que se están sustituyendo;
- (8)
- ajustar la altura del conjunto de ánodos inertes equivalentes, para producir una carga de corriente comparable a la de los ánodos de carbono;
- (9)
- continuar remplazando los ánodos de carbono por ánodos inertes equivalentes; y
- (10)
- hacer funcionar la celda normalmente y vigilar el contenido en carbono y carburo del baño.
Para convertir una celda de Hall que está
funcionando con ánodos de carbono en una que opere con ánodos
inertes, es deseable que se cambien todos los ánodos en un periodo
de tiempo corto, por ejemplo de 4-8 horas. Si dicho
tiempo se alarga, los ánodos de carbono de la celda pueden tener un
efecto adverso en los ánodos inertes según se van cambiando, y
llegar a reducir la vida útil de los ánodos inertes a un valor
mucho menor que su valor potencial.
Los ánodos inertes hechos de material cerámico y
metal son susceptibles de sufrir una rotura por choque térmico. Por
lo tanto, se debe precalentarlos a aproximadamente la temperatura
de funcionamiento de la cámara antes de intercambiarlos por los
ánodos de carbono. Un método preferido para llevar a cabo una
sustitución total de una cámara de ánodos inertes es convertir una
cámara existente en una localización en la línea próxima a la cámara
a un horno que funcione con gas, para poder precalentar todos los
ánodos a la vez. Los ánodos se podrían soportar con la
superestructura existente, y el recubrimiento de la cámara podría
cambiarse para conseguir un calentamiento directo o indirecto de los
ánodos. Por ejemplo, el sistema energético a emplear puede ser un
sistema de tratamiento con gas que se usa convencionalmente en los
fundidores de aluminio para precalentar una cámara de carbono cuyo
recubrimiento se ha cambiado totalmente, antes de la introducción
del material del baño y su reconexión a la barra de corriente para
que ésta circule.
Como ejemplo particular, los ánodos inertes
posicionados a una misma distancia ánodo-cátodo
(ACD) que los ánodos de carbono, pueden requerir un voltaje extra
en la cámara de 0,60 V, debido a una fem (fuerza electromotriz) de
resistencia mayor de los ánodos inertes. Este voltaje extra no
proporciona energía de calentamiento. Para volver a tener
estabilidad en las cámaras de ánodos de carbono, puede ser
necesario, por ejemplo, un aumento en la ACD, por ejemplo de 18 mm
(de 40 mm a 58 mm, con voltajes en la cámara de 4,50 V a 5,25 V).
Los valores siguientes de alturas están basados en la finalización
de la sustitución de ánodos con una ACD de los mismos de 58 mm. Los
voltajes de la cámara y la ACD pueden disminuirse a continuación si
se desea, dependiendo de las condiciones de la cámara. Justo antes
de la sustitución de ánodos, se puede elevar el puente de ánodos
para aumentar la ACD y el voltaje de la cámara de 4,50 V a 5,50 V.
Las ACDs de los ánodos de carbono pueden elevarse de 40 mm a 65 mm
(como regla general, puede usarse 25 mm = 1,00 V). En la primera
separación de ánodo de carbono, se pueden colocar marcas de
referencia en la barra del conector. Se puede separar el ánodo de
carbono a continuación y colocarlo en el marco de ajuste de medida
del ánodo. La distancia desde la parte inferior del ánodo puede
medirse con un brazo articulado u otro dispositivo apropiado. El
primer ánodo inerte a instalar en la celda debe colocarse a una
altura, por ejemplo de 8 mm, más baja que el ánodo de carbono al
que sustituye. La razón para colocar los ánodos inertes ligeramente
por debajo de los ánodos de carbono es para evitar que los ánodos
de carbono (con una fem de resistencia inferior) compartan una
parte excesiva de la corriente, según se van instalando más ánodos
inertes para ir sustituyendo los ánodos de carbono que quedan.
Después de colocar todos los ánodos inertes, la ACD será de
aproximadamente 58 mm, con un voltaje en la cámara de 5,85 V. Si
las condiciones de la cámara lo permiten, los voltajes pueden
reducirse, por ejemplo de 5,85 V a 5,10 V (la ACD se reduce de 58 mm
a 40 mm). Los voltajes de la cámara y las ACDs pueden ajustarse aún
más si el balance de calor y la estabilidad lo permiten.
Durante y después de la operación de sustitución
de ánodos, los parámetros de operación apropiados de la celda
pueden ser, por ejemplo, una altura del baño de 15 a 18 cm, una
altura de metal de 28 cm, una temperatura de aproximadamente 960
grados Centígrados, un porcentaje de AlF_{3} de 9,0% y un
porcentaje de alúmina de 6,2 a 6,8%.
De acuerdo con el presente invento, los conjuntos
de ánodos inertes pueden usarse para reemplazar ánodos de carbono
consumibles en las celdas convencionales de producción de aluminio,
con pequeñas modificaciones, o sin ellas, del resto de componentes
de la celda, tales como el cátodo, el aislamiento refractario o la
envolvente de acero. Se desea minimizar el coste de la
modificación, por ejemplo sin incurrir en costes adicionales para
los hornos y equipos adicionales, al mismo tiempo que se consigue
una sustitución con éxito de los ánodos de carbono. Según el
presente invento, se evita la parada de las celdas y la pérdida de
producción asociada. Además, se evitan tener que reconstruir las
celdas. El presente invento proporciona varias ventajas, incluyendo
los ahorros de capital que se consiguen al evitar modificaciones de
importancia o la sustitución total de las celdas existentes.
Aunque se han descrito realizaciones particulares
de este invento con fines ilustrativos, será evidente para los
expertos en la técnica que se pueden hacer numerosas variaciones en
los detalles del presente invento sin apartarse del invento, que
como tal se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (20)
1. Un método de modificar una celda de fusión de
aluminio, comprendiendo el método separar al menos un ánodo de
carbono consumible de una celda en funcionamiento, y reemplazar al
menos un ánodo de carbono consumible por al menos un ánodo inerte,
método en el que cada uno de los ánodos de carbono consumible se
reemplaza por un conjunto de ánodo inerte que comprende más de uno
de los ánodos inertes, y en el que el conjunto de ánodo inerte
comprende, además, al menos un material térmicamente aislante sobre
los ánodos inertes.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el
al menos un ánodo inerte se precalienta antes de la instalación en
la celda.
3. El método de la reivindicación 2, en el que el
al menos un ánodo inerte se precalienta a una temperatura
aproximada a la temperatura del baño fundido en la celda.
4. El método de la reivindicación 2, en el que el
al menos un ánodo inerte se precalienta con una tasa de aumento de
100 grados Centígrados por hora o menos.
5. El método de la reivindicación 1, en el que el
al menos un ánodo de carbono consumible se dispone a una primera
distancia ánodo-cátodo, y la primera distancia
ánodo-cátodo se aumenta hasta una segunda distancia
ánodo-cátodo, antes del cambio del al menos un
ánodo de carbono consumible por al menos un ánodo inerte.
6. El método de la reivindicación 5, en el que la
segunda distancia ánodo-cátodo es desde alrededor
de 10 hasta alrededor de 100 por ciento mayor que la primera
distancia ánodo-cátodo.
7. El método de la reivindicación 5, en el que la
segunda distancia ánodo-cátodo es desde alrededor
de 40 hasta alrededor de 80 por ciento mayor que la primera
distancia ánodo-cátodo.
8. El método de la reivindicación 5, en el que al
menos un ánodo inerte se instala en la celda a una tercera
distancia ánodo-cátodo, en que la tercera distancia
ánodo-cátodo está entre la primera y la segunda
distancias ánodo-cátodo.
9. El método de la reivindicación 8, en el que el
al menos un ánodo inerte se baja a continuación a una cuarta
distancia ánodo-cátodo, inferior a la tercera
distancia ánodo-cátodo.
10. El método de la reivindicación 1, en el que
una pluralidad de ánodos consumibles de carbono está contenida
inicialmente en la celda.
11. El método de la reivindicación 10, en el que
los ánodos consumibles de carbono se reemplazan uno después de otro
por ánodos inertes.
12. El método de la reivindicación 11, en el que
la celda comprende sectores que incluyen múltiples ánodos de
carbono consumible, y los ánodos de carbono consumibles se
reemplazan en serie sector por sector.
13. El método de la reivindicación 12, en el que
los sectores comprenden los cuadrantes de la celda.
14. El método de la reivindicación 11, en el que
los ánodos de carbono consumibles se reemplazan en serie desde un
extremo de la celda al extremo opuesto de la celda.
15. El método de la reivindicación 11, en el que
los ánodos de carbono consumibles se reemplazan en serie desde una
zona central de la celda hacia las zonas exteriores de la
celda.
16. El método de la reivindicación 10, en el que
los ánodos de carbono consumibles se disponen a una primera
distancia ánodo-cátodo, y la primera distancia
ánodo-cátodo se aumenta a una segunda distancia
ánodo-cátodo, antes de la sustitución de los ánodos
de carbono consumibles por los ánodos inertes.
17. El método de la reivindicación 16, en el que
los ánodos se instalan en serie en la celda a una tercera distancia
ánodo-cátodo, entre la primera y la segunda
distancias ánodo-cátodo.
18. El método de la reivindicación 17, en el que
los ánodos inertes se bajan a continuación a una cuarta distancia
ánodo-cátodo, inferior a la tercera distancia
ánodo-cátodo.
19. El método de la reivindicación 1, que
comprende, además, aumentar la temperatura de la celda antes de la
separación de al menos un ánodo consumible de carbono.
20. El método de la reivindicación 19, en el que
la temperatura de la celda se aumenta de desde aproximadamente 5
hasta aproximadamente 30 grados centígrados.
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