ES2258789T3 - Puesta en marcha de celdas para la fabricacion electrolitica de aluminio. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE PROTECCION DURANTE EL PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE, DE UN CATODO (1) DE UNA CELULA PARA LA EXTRACCION ELECTROLITICA DEL ALUMINIO, DONDE EL CATODO (1) PUEDE OCASIONALMENTE SER REVESTIDO CON UN MATERIAL REFRACTARIO MOJABLE POR EL ALUMINIO (2) Y EN EL CUAL, DURANTE SU USO, SE PRODUCE EL ALUMINIO. EL PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE COMPRENDE LA APLICACION, ANTES DEL PRECALENTAMIENTO DE LA CELULA, DE UNA O VARIAS CAPAS DE ARRANQUE (3) SOBRE EL REVESTIMIENTO REFRACTARIO MOJABLE POR EL ALUMINIO (2). LA(S) CAPAS(S) DE ARRANQUE FORMA(N) UNA PROTECCION TEMPORAL (3) CONTRA EL DETERIORO DE ORIGEN QUIMICO Y/O MECANICO AL CUAL ESTA SOMETIDO EL REVESTIMIENTO MOJABLE POR EL ALUMINIO (2), ESTANDO ESTA PROTECCION TEMPORAL (3) EN CONTACTO ESTRECHO CON EL REVESTIMIENTO MOJABLE POR EL ALUMINIO (2) Y SIENDO ELIMINADO ANTES O DURANTE EL FUNCIONAMIENTO INICIAL NORMAL DE LA CELULA. LAS CAPAS DE LA PROTECCION TEMPORAL (3) SE PUEDEN OBTENER, ENTRE OTRAS, A PARTIR DE UNA HOJA FLEXIBLE DE ALUMINIO CUYO ESPESOR ES INFERIOR A 0,1 MM, EN LA CUAL SE APLICARA UNA METALIZACION, UNA SOLUCION QUE CONTIENE BORO, UN POLIMERO, UNA SOLUCION QUE CONTIENE FOSFATO DE ALUMINIO, O UN COLOIDE QUE SE GELIFICA DURANTE EL PRECALENTAMIENTO DE LA CELULA O SUS COMBINACIONES.

Description

Puesta en marcha de celdas para la fabricación electrolítica de aluminio.

Sector técnico al que pertenece la invención

La presente invención se refiere a la puesta en marcha de cubas electrolíticas para la fabricación electrolítica de aluminio por electrólisis de alúmina en un caldo basado en criolita, cuya cuba electrolítica comprende un fondo conductor sobre el que, en su utilización, se fabrica el aluminio, formando una capa o charco sobre el cual se encuentra el electrolito de criolita fundida. La invención se refiere especialmente pero no de manera exclusiva a la puesta en marcha de dichas cubas electrolíticas, en las que la superficie del cátodo está protegida por un recubrimiento refractario humectable por el aluminio.

Antecedentes de la invención

El aluminio se fabrica convencionalmente por el proceso Hall-Héroult, por electrólisis de alúmina disuelta en electrólitos fundidos basados en criolita a temperaturas del orden de 950ºC. Una cuba de reducción Hall-Héroult tiene, de manera típica, una envolvente de acero dotada de un recubrimiento aislante de material refractario que, a su vez, tiene un recubrimiento de carbón que establece contacto con los componentes fundidos. Unas barras conductoras conectadas a un polo negativo de una fuente de corriente continua están embebidas en el sustrato del cátodo de carbón, formando el fondo de la cuba. El sustrato del cátodo es habitualmente un recubrimiento de carbón basado en antracita, realizado en bloques de cátodo prefabricados unidos con una mezcla comprimida de antracita, coque y alquitrán de carbón o resinas.

En cubas Hall-Héroult el charco de aluminio fundido actúa como cátodo. El recubrimiento de carbón o material del cátodo tiene una vida útil de tres a ocho años, o incluso menos en condiciones adversas. El deterioro del fondo del cátodo es debido a la erosión y penetración de electrolito y aluminio líquido y también intercalación de sodio, lo que provoca el hinchamiento y deformación de los bloques de carbón del cátodo y de la mezcla comprimida. Además, la penetración de especies de sodio y otros ingredientes de criolita o aire conduce a la formación de compuestos tóxicos, incluyendo cianuros.

Cuando se ponen en funcionamiento, las cubas de fabricación electrolítica de aluminio deben ser precalentadas. Cuando la cuba ha alcanzado la temperatura suficiente, se añade el electrolito de criolita fundida y se continúa la operación de arranque hasta que la cuba alcanza un estado de funcionamiento en equilibrio.

Un proceso conocido de arranque de una cuba comprende la aplicación de una capa de coque o material conductor similar al fondo de la cuba y haciendo pasar una corriente eléctrica mediante ánodos y por el coque hacia el fondo de la cuba para calentar a ésta por efecto Joule. Otro proceso de arranque conocido de dichas cubas utiliza quemadores de llama. En la Patente 4.405.433 (Payne) se ha sugerido la colocación de materiales fibrosos refractarios de silicato de aluminio sobre un cátodo de un metal duro refractario antes de precalentamiento de los conjuntos de cátodo.

La Patente USA 5.651.874 (Sekhar/de Nora) ha propuesto el recubrimiento del fondo de la cuba de carbón con un material duro refractario en partículas en un soporte coloidal para producir un recubrimiento superficial adherente duro, humectable por el aluminio. Estos recubrimientos refractarios humectables por el aluminio han presentado un rendimiento mucho mejor que todos los demás intentos anteriores en utilizar dichos materiales para proteger fondos de carbón de las cubas.

Para facilitar el arranque, en particular cuando se utilizan estos recubrimientos de tipo mejorado, se ha propuesto ya colocar una lámina de aluminio encima del recubrimiento antes de proceder al precalentamiento (ver la publicación Cathodes in Aluminium Electrolysis, 2a Edición, 1994, M. Sorlie and H. Oye, publicada por Aluminium Verlag, página 70). El objetivo de dicha placa de aluminio era evitar posibles puntos calientes debido a una distribución irregular de la corriente. Dadas las elevadas densidades de corriente utilizadas y la necesidad de asegurar una distribución regular de calor, se utilizaron chapas de aluminio con un grosor de 1 a 5 mm. Estas hojas de aluminio se funden durante el proceso de arranque y se integran en el charco del aluminio producido.

El documento WO94/13861 da a conocer el recubrimiento del cátodo carbonoso con plaquitas de una matriz metálica combinada que contiene TiB_{2} y Al como protección durante el arranque de la cuba.

No obstante, se ha descubierto que, si bien la utilización de dichas chapas de aluminio ha sido eficaz en la reducción de puntos calientes, no ofrece protección contra la oxidación del cátodo. La utilización de chapas de aluminio gruesas no se ha dirigido a solucionar este problema.

Características de la invención

Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención dar a conocer un proceso de arranque que es completamente fiable en lo que respecta a evitar averías en la superficie del cátodo utilizando material que, cuando se aplica al cátodo, forma una capa de protección delgada y uniforme.

Otro objetivo de la invención consiste en proteger el cátodo recubriéndolo con un material de protección temporal antes del precalentamiento de la cuba. Otro objetivo de la invención consiste en dar a conocer un material de protección temporal que se elimina, por lo menos parcialmente, por el inicio de utilización normal de la cuba, de manera que no contamina el aluminio producido con el material de protección temporal.

La presente invención se relaciona, en particular, con un método para la protección durante el proceso de arranque del cátodo de una cuba para la electrólisis de aluminio mediante electrólisis de aluminio disuelta en un caldo de fusión basado en fluoruros, tal como criolita, sobre cuyo cátodo, durante su utilización, se produce aluminio y se forma una capa o charco. El proceso de arranque comprende la aplicación, antes del precalentamiento de la cuba, de una o varias capas de arranque sobre la superficie del cátodo.

El método de protección de la invención se caracteriza porque la capa o capas de arranque forman una protección temporal contra averías de origen químico y/o mecánico en el cátodo, encontrándose dicha protección temporal en contacto íntimo con la superficie del cátodo y siendo por lo menos parcialmente eliminada antes o durante el funcionamiento normal de la cuba. La protección temporal puede ser "consumida" por el funcionamiento normal inicial de la cuba o se puede integrar de forma permanente en la superficie del cátodo.

En contraste con la técnica anterior, la protección temporal permanece en contacto íntimo con la superficie del cátodo por debajo de una capa de aluminio fundido durante el arranque de la cuba. Cuando se aplica solamente una chapa gruesa de aluminio sobre el fondo de la cuba, la capa aplicada se funde durante el arranque y simplemente se integra en el charco de fusión del aluminio producido sin impedir que el electrolito fundido ataque el recubrimiento humectable por el aluminio.

Para el objetivo de la presente invención las capas de arranque son obtenidas a partir de los materiales especificados en la reivindicación 1.

Normalmente, el fondo de la cuba está realizado en un material carbonoso, tal como bloques de carbono. La masa del cátodo puede estar realizada principalmente en un material carbonoso, tal como polvo de carbón compactado, una pasta basada en carbón, por ejemplo, tal como se describe en la Patente USA Nº 5.362.366 (Sekhar y otros), bloques de carbón precocidos unidos entre sí en la envolvente, o bien bloques, placas o losetas de grafito.

También es posible realizar el cátodo principalmente en un material eléctricamente conductor libre de carbón, de un material combinado realizado a base de un material eléctricamente conductor libre de carbón y un material eléctricamente no conductor libre de carbón.

Estos materiales no conductores libres de carbón pueden ser alúmina, criolita u otros óxidos refractarios, nitruros, carburos o combinaciones de los mismos, y los materiales conductores pueden ser, como mínimo, un metal de los grupos IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVB, VB y de la serie de los lantánidos de la tabla periódica, en particular aluminio, titanio, cinc, magnesio, niobio, itrio o cerio, y aleaciones o compuestos intermetálicos de los mismos.

El metal del material combinado tiene preferentemente un punto de fusión de 650º a 970º.

El material combinado es ventajosamente una masa realizada a base de alúmina y aluminio o una aleación de aluminio, ver Patente USA Nº 4.650.552 (de Nora y otros), o una masa realizada a base de alúmina, diboruro de titanio y aluminio o una aleación de aluminio.

El material combinado puede ser también obtenido por reacción micropirética, tal como la que utiliza, como reactivos, TiO_{2}, B_{2}O_{3} y Al.

El cátodo puede ser también realizado en una combinación de un mínimo de dos materiales escogidos entre: como mínimo, un material carbonoso, tal como se ha mencionado anteriormente; como mínimo, un material eléctricamente conductor no carbonoso; y, como mínimo, un material compuesto de un material eléctricamente conductor y un material eléctricamente no conductor, tal como se ha mencionado anteriormente.

De manera ventajosa, la superficie del cátodo está recubierta por un material refractario humectable por el aluminio, tal como un boruro metálico duro, refractario. Un boruro metálico duro refractario, en partículas, puede ser incluido, por ejemplo, en un soporte coloidal, siendo luego aplicado a la superficie del cátodo, es decir, de acuerdo con las indicaciones de la anteriormente mencionada Patente USA 5.651.874 (Sekhar/de Nora).

Cuando se utiliza una lámina de aluminio como capa de arranque, dicha lámina tiene preferentemente un grosor de 0,03 a 0,05 mm. Eventualmente, dicha lámina puede ser oxidada durante el calentamiento y quedar incorporada (en forma de alúmina) en la superficie del cátodo o en un recubrimiento del material refractario humectable por el aluminio.

La protección que se consigue por las láminas de aluminio contrasta con la utilización de chapas gruesas de aluminio, conocida en la técnica anterior, lo cual ayuda a evitar posibles puntos calientes debido a una distribución irregular de la corriente. Las chapas gruesas de aluminio no pueden encontrarse en contacto íntimo con la superficie del cátodo a causa de su poca maleabilidad y, por lo tanto, no pueden proteger de manera suficiente el cátodo contra ataques de fluidos y/o gaseosos durante el arranque. Estas chapas gruesas de aluminio aseguran solamente una buena distribución de corriente, evitando puntos calientes. Como contraste, las láminas de aluminio se adaptan íntimamente a la superficie del cátodo, que puede ser poroso y proteger el cátodo contra ataques indeseados durante el precalentamiento de la cuba.

No obstante, tal como se explica más adelante, es posible utilizar una chapa gruesa de aluminio en combinación con una capa de protección, de acuerdo con la presente invención, incluyendo, por ejemplo, láminas de aluminio.

Como alternativa, se puede utilizar una metalización a efectos de proteger la superficie del cátodo. La metalización, que se puede unir de manera íntima a la superficie del cátodo, combina unas características química, mecánica y eléctrica útiles para el proceso de arranque. Este tipo de capa de arranque impide averías en el cátodo de tipo químico y/o mecánico y, además, la buena conductividad del material puede ser utilizada ventajosamente durante el procedimiento de calentamiento de la cuba cuando se consigue por el efecto Joule, tal como se describe más adelante. Son metales típicos que se pueden utilizar para metalización el aluminio o níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo, vanadio, circonio, hafnio, niobio, tántalo, molibdeno, cerio, cobre, como aleación o intermetálico que comprende aluminio.

La utilización de pinturas metálicas obtenidas a partir de un polvo metálico aplicado en forma de líquido acuoso, líquido no acuoso o un líquido acuoso conteniendo productos órganicos, en particular, un polímero, tal como poliuretano, etilenglicol, polietilenglicol, resinas, ésteres o ceras, puede ser muy conveniente debido a sus buenas características de protección y facilidad con la que se puede aplicar un material de este tipo sobre la superficie del fondo de la cuba.

De modo general, los componentes y cantidad de metalización de protección se escogerán de manera que exista una protección adecuada durante el arranque de la cuba pero que no se produzcan contaminaciones indeseables del aluminio. Dicha metalización puede también ayudar a la humectación de la superficie refractaria porosa con aluminio fundido. La metalización de protección no permanecerá habitualmente de forma permanente en la superficie del cátodo o en un recubrimiento refractario humectable por el aluminio, sino que será "arrastrada" o integrada en el recubrimiento humectable por el aluminio en el momento en que la cuba alcanza su estado estable normal de funcionamiento.

Por ejemplo, se puede aplicar una pintura de aluminio sobre el fondo de la cuba, cubriéndolo luego con una serie de láminas de aluminio, tal como se ha descrito anteriormente.

De manera ventajosa, se pueden utilizar compuestos intermetálicos para proteger el fondo de la cuba. Estos compuestos pueden comprender aluminio con otro material adicional seleccionado entre níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo, circonio o combinaciones de los mismos. Además, dicha capa de compuesto intermetálico está formada ventajosamente por aplicación en la parte superior del fondo de la cuba de una combinación de polvo de aluminio, un cuerpo laminar, en rejilla o poroso, tal como un material esponjoso sobre un cuerpo laminar, de rejilla o poroso de dicho material adicional, o viceversa. El calentamiento de los dos metales antes o durante el precalentamiento de la cuba inicia una reacción espontánea para la producción de un componente intermetálico. Normalmente, este tipo de capa es retirada a continuación con el aluminio fundido producido antes de o durante el funcionamiento normal inicial de la
cuba.

La utilización de NiAl o Ni_{3}Al como capa intermetálica es particularmente beneficiosa. Por ejemplo, NiAl es notablemente estable cuando se expone a calor, siendo el punto de fusión aproximadamente de 1600ºC. Además presenta buenas características mecánicas.

De modo adicional, se puede obtener otro tipo de capa de protección en el arranque, como mínimo parcialmente, a partir de una solución que contiene un boro, que forma una capa vítrea. La solución de boro se puede preparar a partir de óxido de boro, ácido bórico o ácido tetrabórico en un disolvente acuoso, no acuoso o acuoso conteniendo producto orgánico tal como metanol, etilenglicol, glicerina, agua o mezclas de los mismos. Opcionalmente, la solución puede comprender un metal en partículas que incrementa la conductividad de la capa. Se obtienen buenos resultados en caso de añadir una mezcla de aluminio, y se añaden opcionalmente a la solución boruros y/o carburos de metales del grupo que comprende aluminio, titanio, cromo, vanadio, circonio, hafnio, niobio, tántalo, molibdeno y cerio. También se comprobó de modo satisfactorio la aplicación de una capa conteniendo boro, con un recubrimiento de una serie de láminas de aluminio.

De manera adicional, se puede obtener una capa protectora para el arranque por lo menos parcialmente a partir de un polímero o un precursor de un polímero, tal como poliuretano, etilenglicol, polietilenglicol, resinas, ésteres o ceras. Tal como se ha descrito anteriormente, la conductividad eléctrica de dicha capa se puede incrementar añadiendo material conductor en partículas, mezclado opcionalmente con boruros y/o carburos.

Otra alternativa consiste en formar una capa adicional protectora en el arranque a partir de una solución acuosa y/o no acuosa que contiene fosfatos de aluminio, tal como fosfato de monoaluminio, fosfato de aluminio, polifosfato de aluminio, metafosfato de aluminio y mezclas de los mismos, por ejemplo, disueltos en agua. Esta capa de protección para el arranque queda recubierta ventajosamente con una serie de láminas de aluminio, tal como se ha descrito anteriormente.

Cuando se obtiene una capa de protección en el arranque, como mínimo parcialmente, a partir de una solución de coloide, el coloide es seleccionado preferentemente entre alúmina, sílice, óxido de itrio, óxido de cerio, óxido de torio, óxido de circonio, óxido de magnesio, óxido de litio, fosfato de monoaluminio, acetato de cerio, coloidales o una mezcla de las mismas. La solución coloidal usualmente gelifica el precalentamiento de la cuba y protege el cátodo y si existe el recubrimiento refractario humectable por aluminio durante esta fase critica de arranque. Opcionalmente, el coloide de la capa de arranque se puede incorporar, por lo menos parcialmente, en la superficie del cátodo o el recubrimiento humectable por el aluminio.

Esta capa protectora del arranque contiene ventajosamente un conductor en partículas, tal como aluminio, níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo, circonio, cobre en partículas y combinaciones de los mismos, a efectos de mejorar la conductividad de la capa de arranque, y además evitar una distribución irregular de la corriente. De manera similar, se puede utilizar una capa de protección en el arranque que comprende alúmina coloidal, en combinación con una lámina o láminas plegables de aluminio que tienen un grosor menor de 0,1 mm. Por ejemplo, una o varias láminas de aluminio pueden ser retenidas en sándwich con la alúmina coloidal.

En todos los casos, el material de protección se fusiona íntimamente o se encuentra íntimamente en contacto con la superficie porosa del recubrimiento refractario humectable por aluminio, y puede ser incorporado parcialmente (o completamente) en este recubrimiento, o se puede retirar parcialmente o completamente al alcanzar la cuba su funcionamiento estable.

Aditivos tales como aluminio en partículas o boruros y/o carburos pueden ser añadidos a cualquier capa de protección en el arranque, descrita anteriormente, antes del precalentamiento de la cuba. Esta adición incrementa el efecto de protección de la protección temporal. Los boruros y/o carburos pueden ser seleccionados entre los siguientes metales: aluminio, titanio, cromo, vanadio, circonio, afnio, niobio, tántalo, molibdeno y cerio.

De manera similar, se pueden añadir láminas adaptables u hojas gruesas de aluminio encima de cualquier capa de protección para el arranque, descrita anteriormente.

En el método de la invención, se puede generar calor en el material conductor para precalentar el fondo de la cuba, haciendo pasar corriente eléctrica por ánodos y por material conductor tal como coque de resistencia en el fondo de la cuba para calentar la cuba por efecto Joule.

Para esta configuración, la protección temporal tiene preferentemente buena conductividad eléctrica. La conductividad de una capa se puede incrementar, no obstante, añadiendo material conductor tal como se ha descrito anteriormente. Por ejemplo, se puede incorporar polvo de aluminio a un material intrínsecamente no conductor o poco conductor, y por lo tanto, incluso capas gruesas de un material poco conductor pueden ser utilizadas para la protección del recubrimiento humectable por aluminio.

Cuando se utiliza este precalentamiento por resistencia eléctrica, se pueden colocar una hoja u hojas relativamente gruesas de aluminio, habitualmente de 1 a 5 mm de grosor, preferentemente de 3 a 5 mm, entre cada uno de los ánodos y la protección temporal, en particular encima de la protección temporal. Esta hoja gruesa de aluminio, tal como es sabido, sirve para ayudar a la distribución de la corriente eléctrica de manera regular, y por lo tanto a evitar puntos calientes.

De manera alternativa, el fondo de la cuba puede ser precalentado a la llama por quemadores, siempre que se tomen precauciones para evitar contacto directo de la llama con la delgada capa de protección del arranque, por ejemplo, cubriéndola con una capa de coque u otro material conductor del calor. Este método ofrece la ventaja de no ser dependiente de la conductividad eléctrica de los materiales involucrados.

Otro método para calentar la cuba durante el proceso de arranque, que no depende del material involucrado, comprende técnicas de radiación. Se puede utilizar una fuente de luz a efectos de transferir calor a la cuba en forma de ondas de luz. Las longitudes de onda emitidas preferentes corresponden al espectro de infrarrojos. Esta técnica ofrece la ventaja de evitar la contaminación de la cuba con elementos no deseados, tal como en la utilización de llama o de la técnica de resistencia de carbón.

Además, la capa de coque u otro material conductor se puede mezclar y/o recubrir con un electrólito basado en haluro que tiene un punto de fusión del orden de 660-760ºC. Se añade criolita fundida a la cuba cuando la temperatura de la misma supera el punto de fusión de dicho electrólito basado en haluros, añadido al material conductor. Este electrólitos basado en haluros puede ser mezclado con una capa de material conductor, tal como coque, o puede ser recubierto con la misma.

Opcionalmente, las capas de protección en el arranque se pueden prolongar recubriendo otros componentes, tales como las paredes laterales de la cuba. La protección se puede extender incluso por encima del nivel alcanzado por el caldo de fusión basado en fluoruros durante la utilización normal de la cuba.

Se dispone de varios métodos a efectos de aplicar capas de protección en el arranque sobre el fondo de la cuba. Cuando el precursor de una capa tiene forma líquida se pueden aplicar varios métodos de pintura, tales como cepillos, rodillos o técnicas de pulverización. En el caso de metalización, se puede utilizar el rociado en caliente para aplicar un metal fundido.

Se pueden utilizar técnicas de depósito por vapor, tal como depósito por vapor químico (CVD) o depósito por vapor físico (PVD), o rociado por medio de plasma. Se puede utilizar, de manera ventajosa, el depósito químico o electrolítico, considerando el medio ambiente de la cuba electrolítica.

Cuando se incluye una lámina en la capa de protección, tal como una lámina de aluminio, ésta puede ser fijada al fondo de la cuba utilizando la aplicación de adhesivos o prensado en caliente, que proporcionan buenos resultados también en el caso de precursores pulverulentos.

Todas estas técnicas para aplicar la protección temporal sobre el fondo de la cuba se pueden llevar a cabo ventajosamente realizando un dispositivo automático, tal como un robot de tipo angular (cilíndrico o SCARA) o de tipo paralelo. También se pueden utilizar sistemas parcialmente automatizados.

La invención también se refiere a un método para la fabricación electrolítica de aluminio. El método comprende dos etapas, es decir, un procedimiento de arranque con protección temporal, tal como se ha descrito anteriormente, seguido de la producción de aluminio.

Breve descripción del dibujo

La figura 1 muestra una vista parcial esquemática de una cuba para la fabricación electrolítica de aluminio, dispuesta para llevar a cabo el proceso de arranque de la presente invención.

Descripción detallada

La figura 1 muestra una parte de una cuba electrolítica para la fabricación electrolítica de aluminio, que comprende un cátodo (1) en el fondo de la cuba, por ejemplo, de carbón, dotada de un recubrimiento de un material refractario (2) humectable por aluminio, en particular un recubrimiento de diboruro de titanio aplicado en forma de emulsión, tal como se describe en la patente USA Nº 5.651.874 (Sekhar/de Nora). El recubrimiento (2) está cubierto por una protección temporal (3), por ejemplo, un par de láminas delgadas de aluminio, cada una de las cuales tiene un grosor de 0,04 mm para protección contra daños producidos por origen químico y/o mecánico en el recubrimiento humectable por aluminio (2) durante el proceso de arranque. De forma alternativa, se pueden aplicar otras capas protectoras, por ejemplo, las que se describen en los siguientes ejemplos II, III y V. Sobre la protección temporal (3) se aplica una hoja gruesa de aluminio (4) (es decir que tiene un grosor de 4 mm). La hoja de aluminio (4) es cubierta con coque de resistencia (5) hasta el fondo del ánodo (6) que está dirigido al cátodo. El coque de resistencia (5) se puede extender sobre la protección temporal o se puede limitar por debajo del ánodo (6), tal como se indica por la línea de trazos (5a). La protección temporal (3) se prolonga sobre una cuña (7) que conecta el fondo (1) del cátodo de la cuba a la pared lateral (8) de la misma, sobre la que se coloca criolita (9) sólida que contiene alúmina. La protección temporal (3) y la hoja de aluminio (4) no se muestran a escala en la
figura 1.

Cuando se hace pasar corriente desde el ánodo (6) al cátodo (1) con intermedio del coque de resistencia (5) y la hoja de aluminio gruesa (4) y las láminas de aluminio (3), se genera calor principalmente en el coque de resistencia (5). La hoja de aluminio gruesa (4) ayuda a evitar puntos calientes, tal como se ha descrito en la técnica conocida. El calor generado en el coque de resistencia (5) posibilita la fusión y llenado de la cuba, en primer lugar, con la hoja de aluminio (4) y láminas (3) y, a continuación, con la criolita sólida (9). La presencia de las láminas delgadas de aluminio (3) que establecen un contacto íntimo con el recubrimiento humectable por aluminio, mientras se efectúa el precalentamiento de la cuba, impide que la criolita en fusión establezca contacto con el recubrimiento (2).

Cuando la criolita fundida recubre por completo el fondo de la cuba hasta el nivel del fondo del ánodo (6), puede empezar la electrólisis de la alúmina disuelta en la criolita fundida. La retirada de los elementos libres que se originan de las láminas delgadas de aluminio (3), de la hoja de aluminio (4) y del coque de resistencia (5) tiene lugar antes de o durante el funcionamiento inicial normal de la cuba.

La factibilidad de la invención ha sido demostrada por las siguientes pruebas de laboratorio:

Ejemplo I

(Comparativo)

A efectos de mostrar la oxidación de TiB_{2} en TiO_{2} y B_{2}O_{3}, cuando se aplica en forma de coloide sobre el fondo de la cuba, se llevó a cabo la siguiente prueba de laboratorio.

Se prepararon plaquitas de un material de recubrimiento refractario humectable por aluminio (aproximadamente 20x40x3 mm) por moldeo de una emulsión realizada a base de 14 ml de alúmina coloidal, 12 ml de sílice coloidal y 50 g de TiB_{2} sobre un sustrato poroso yeso.

Se pesó una plaquita, se sometió a tratamiento térmico en aire a 800ºC durante 15 horas en un horno de caja y se pesó nuevamente después de refrigeración. En estas condiciones, que simulan las condiciones de oxidación durante el arranque de la cuba, el incremento de peso resultante de la oxidación de los componentes de TiB_{2} para formar TiO_{2} y B_{2}O_{3} fue de 0,69 g, es decir, aproximadamente 12% del contenido total de TiB_{2}.

Ejemplo II

Se llevó a cabo un procedimiento similar al ejemplo anterior, pero con el recubrimiento de TiB_{2} protegido por láminas de aluminio.

Se envolvió una plaquita tal como en el ejemplo 1, en tres capas de lámina de aluminio (grosor de 0,02 mm) y se sometió al mismo tratamiento que en el ejemplo anterior. La absorción de peso, teniendo en consideración la oxidación del aluminio, se observó que era de 5%, demostrando, por lo tanto, la eficacia de la capa de protección contra la oxidación.

Ejemplo III

A efectos de demostrar la eficacia de una capa de protección que se origina de una pintura de aluminio, se llevó a cabo la siguiente prueba.

Se metalizó una plaquita, igual que en el ejemplo I, sobre toda su superficie, pulverizando polvo de aluminio (< 1 \mum) en suspensión en un portador orgánico y resina sintética tres veces, dejando secar cada capa a temperatura ambiente hasta conseguir una capa de 80-100 \mum aproximadamente. La muestra dotada de recubrimiento fue sometida al mismo tratamiento que en el primer ejemplo. La absorción de peso, teniendo en cuenta la oxidación de aluminio, se observó que era de 2%, demostrando, por lo tanto, la eficacia de la capa de protección contra la oxidación.

Ejemplo IV

(Fuera del ámbito de la reivindicación 1)

De manera similar, se realizó la siguiente prueba con una capa protectora de polímero, en vez de las láminas de aluminio del ejemplo anterior.

Igual que en el ejemplo I, una plaquita fue dotada de recubrimiento en toda su superficie con poliuretano en un disolvente orgánico aplicado por cepillado de varias capas, permitiendo el secado de cada capa, hasta conseguir una capa total con un grosor de 100-150 \mum. La muestra total de recubrimiento fue sometida al mismo tratamiento térmico que en el ejemplo I. Se observó que la absorción de peso era de 3%, demostrando, por lo tanto, la eficacia de esta capa de protección contra la oxidación.

Ejemplo V

Finalmente, se comprobó, de manera similar a los ejemplos anteriores, la eficacia de una combinación de una lámina de aluminio y un polímero.

Se recubrió una plaquita, igual que en el ejemplo I, por aplicación por pintado en toda su superficie con una capa de poliuretano en un disolvente orgánico y una lámina de aluminio (grosor de 0,06 mm), que se aplicó en la parte superior inmediatamente después, de manera que la lámina de aluminio quedó fija firmemente después del secado de la solución de poliuretano. La muestra con recubrimiento fue sometida al mismo tratamiento térmico que en el ejemplo I. La absorción de peso se encontró que era de 0,5%, demostrando, por lo tanto, la eficacia de esta capa de protección contra la oxidación.

Se comprenderá que se pueden introducir modificaciones en la presente invención. Por lo tanto, el ámbito de la presente invención se debe considerar en términos de las siguientes reivindicaciones y se comprenderá que no está limitado a los detalles funcionales que se describen en la descripción.

Claims (30)

1. Método para el arranque de una cuba para la fabricación electrolítica de aluminio por electrólisis de alúmina disuelta en un caldo de fusión basado en fluoruros, tal como criolita, comprendiendo la cuba un cátodo sobre el que, durante la utilización, se produce aluminio y forma una capa o charco, cuyo método comprende la aplicación de una o varias capas de arranque que contienen aluminio sobre la superficie del cátodo, seguido de precalentamiento de la cuba, protegiendo temporalmente la capa o capas de arranque que contienen aluminio la superficie del cátodo durante el arranque,

caracterizado porque dicha capa o capas de arranque que contienen aluminio son aplicadas a la superficie del cátodo antes del arranque de la cuba y comprenden, como mínimo, uno de:

-

una lámina adaptable de aluminio que tiene un grosor menor de 0,1 mm, que, durante el precalentamiento de la cuba, establece contacto íntimo y permanece en dicho contacto con la superficie del cátodo y se adapta íntimamente a dicha superficie; y

-

una metalización que contiene aluminio, que permanece en contacto íntimo con la superficie del cátodo durante el precalentamiento de la cuba,

a efectos de proteger temporalmente el cátodo contra el ataque químico por reacción con gases y/o fluidos, tales como electrolito en fusión durante el arranque de la cuba.

2. Método, según la reivindicación 1, en el que la capa o capas de arranque sobre el cátodo son eliminadas por arrastre de dichas capas de arranque o por integración permanente, como mínimo, de las capas de arranque en la superficie del cátodo por funcionamiento normal permanente de la cuba.

3. Método, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el cátodo está realizado en un material carbonoso y/o en un material eléctricamente conductor libre de carbón y, opcionalmente, contiene además un material libre de carbón no eléctricamente conductor.

4. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación de la capa o capas de arranque sobre un recubrimiento de un material refractario humectable por aluminio, en particular un boruro metálico duro refractario, tal como un boruro metálico duro refractario, aplicado en un portador coloidal formando la superficie del cátodo.

5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación de, como mínimo, una lámina adaptable de aluminio que tiene un grosor menor de 0,1 mm, particularmente un grosor de 0,03 a 0,05 mm, sobre la superficie del cátodo.

6. Método, según la reivindicación 5, en el que dicha lámina de aluminio adaptable está oxidada, por lo menos parcialmente, y, por lo menos parcialmente, incorporada en la superficie del cátodo como alúmina.

7. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación de una metalización de aluminio o una metalización que comprende, como mínimo, un metal seleccionado entre níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo, vanadio, circonio, hafnio, niobio, tántalo, molibdeno, cerio y cobre, encontrándose dicho metal presente en una aleación que comprende aluminio o un compuesto intermetálico que comprende aluminio.

8. Método, según la reivindicación 7, en el que dicha metalización es obtenida a partir de un polvo metálico aplicado en un líquido acuoso o no acuoso, o en un líquido acuoso que contiene un material orgánico, en particular un polímero, tal como poliuretano, etilenglicol, polietilenglicol, resinas, ésteres o ceras.

9. Método, según la reivindicación 8, en el que la metalización es un compuesto intermetálico que comprende aluminio y, como mínimo, otro metal seleccionado entre níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo y circonio, tal como NiAl o Ni_{3}Al.

10. Método, según la reivindicación 9, en el que dicho compuesto intermetálico es obtenido aplicando aluminio en forma de un material en polvo, hoja, cuerpo poroso o rejilla sobre una hoja, cuerpo poroso o rejilla del otro metal mencionado, o viceversa.

11. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa adicional de arranque sobre la superficie del cátodo, siendo obtenida dicha capa adicional, por lo menos parcialmente, a partir de una solución que contiene boro, formando una capa vítrea, tal como una solución que contiene óxido de boro, ácido bórico o ácido tetrabórico, y en particular, una solución que comprende un compuesto de boro disuelto en un disolvente seleccionado a partir de metanol, etilenglicol, glicerina, agua o mezclas de los mismos.

12. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa adicional de arranque sobre la superficie del cátodo, siendo obtenida dicha capa adicional, por lo menos parcialmente, a partir de un polímero o un precursor de un polímero, tal como un polímero seleccionado entre poliuretano, etilenglicol, polietilenglicol, resinas, ésteres o ceras.

13. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa de arranque adicional sobre la superficie del cátodo, siendo obtenida dicha capa adicional, por lo menos parcialmente, a partir de una solución que comprende fosfatos de aluminio, en particular fosfatos de aluminio seleccionados entre monofosfato de aluminio, fosfato de aluminio, polifosfato de aluminio, metafosfato de aluminio y mezclas de los mismos.

14. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa de arranque adicional sobre la superficie del cátodo, siendo obtenida dicha capa adicional, por lo menos parcialmente, a partir de una solución coloidal que gelifica durante el precalentamiento, en particular un coloide seleccionado a partir de alúmina, sílice, óxido de itrio, óxido de cerio, óxido de torio, óxido de circonio, óxido de magnesio, óxido de litio, monofosfato de aluminio, acetato de cerio, coloidales o mezclas de los mismos.

15. Método, según la reivindicación 14, en el que la solución coloidal comprende un conductor en partículas, en particular un conductor seleccionado entre aluminio, níquel, hierro, titanio, cobalto, cromo, circonio, cobre y combinaciones de los mismos.

16. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa de arranque que contiene carburos y/o boruros de metales, en particular de metales seleccionados entre el grupo que comprende aluminio, titanio, cromo, vanadio, circonio, hafnio, niobio, tántalo, molibdeno y cerio.

17. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una capa de arranque que contiene aluminio en partículas.

18. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, como mínimo, de una hoja gruesa de aluminio que tiene un grosor de 1 a 5 mm encima de la capa o capas de arranque.

19. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada una de las capas de arranque aplicadas es eléctricamente conductora, estando cubiertas la capa o capas de arranque por una capa de un material eléctricamente conductor, provocando la generación de calor, haciendo pasar corriente eléctrica a través de ánodos, a través del material conductor y de la capa o capas de arranque conductoras hacia adentro del fondo de la cuba electrolítica para el calentamiento de la misma por efecto Joule.

20. Método, según la reivindicación 19, en el que dicho material conductor contiene coque.

21. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que el fondo de la cuba electrolítica es precalentado a la llama por medio de quemadores.

22. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que el fondo de la cuba es precalentado utilizando radiación por infrarrojos.

23. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 22, en lo que dependen de la reivindicación 4, en el que el recubrimiento refractario humectable por aluminio, protegido, como mínimo, por una capa de arranque, está recubierto con un electrolito basado en haluros, que tiene un punto de fusión del orden de 660º-760ºC, añadiéndose dicho caldo de fusión basado en fluoruros a la cuba cuando la temperatura de la misma supera el punto de fusión de dicho electrolito basado en haluros, añadido al material conductor.

24. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa o capas de arranque se extienden por las paredes laterales de la cuba.

25. Método, según la reivindicación 24, en el que la capa o capas de arranque se extienden por encima del nivel del caldo de fusión basado en fluoruros, durante la utilización normal de la cuba.

26. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, como mínimo, se aplica una capa de arranque antes del arranque como metalización sobre la superficie del cátodo, utilizando métodos de tintura, tales como cepillos, rodillos o pulverización.

27. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, antes del arranque de una o varias capas de arranque, como metalización por pulverización en caliente de metal fundido.

28. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación, antes del arranque, de una o varias capas de arranque, como metalización por CVD, PVD, pulverización por plasma, depósito electrolítico, depósito químico, aplicación de adhesivo o prensado en caliente.

29. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la aplicación de una o varias capas de arranque con un sistema automatizado o parcialmente automatizado.

30. Método para la fabricación electrolítica de aluminio, que comprende un proceso de arranque de una cuba electrolítica, tal como se ha descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, seguido de la fabricación de aluminio por electrólisis de alúmina disuelta en un caldo de fusión basado en fluoruros.