Системы и способы для очистки алюминия
Изобретение относится к способу очистки алюминия. Способ включает подачу алюминиевого сырья в электролизер через канал доступа в электролизер, направление электрического тока в анод через электролит и в катод, причем анод выполнен удлиненным вертикальным, катод выполнен удлиненным вертикальным, при этом анод и катод выполнены проходящими в зону электролита, так что внутри зоны электролита анод и катод размещены с анод-катодным перекрытием и анодно-катодным расстоянием; и получение некоторого очищенного алюминиевого продукта из алюминиевого сырья. Обеспечивается снижение расхода энергии и повышение производительности. 26 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка является непредварительной и испрашивает приоритет по заявке США с порядковым № 62/114961, озаглавленной «Системы и способы для очистки алюминия», поданной 11 февраля 2015 г., которая включена сюда по ссылке во всей своей полноте.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Процесс Хупа представляет собой электролитический процесс, который использовался для получения металлического алюминия очень высокой чистоты.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0003] В целом заявка направлена на различные конфигурации и процессы использования электролизеров для получения очищенного алюминиевого продукта из сырья, содержащего металлический алюминий. Более конкретно, заявка направлена на использование конфигурации с вертикально ориентированными, разнесенными анодами и катодами, причем эти аноды и катоды выполнены из смачиваемого алюминием материала, чтобы уменьшить межполюсное расстояние и увеличить площадь поверхности электродов (например, зоны очистки) электролизера, функционирующего для получения продукта – очищенного металлического алюминия из алюминиевого сырья с намного более низким расходом энергии и более высокой производительностью (например, сырья, включающего в себя металлический алюминий и/или его сплавы).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном аспекте предлагается способ, содержащий: (a) подачу алюминиевого сырья в канал доступа алюминиевого электролизера, причем алюминиевый электролизер выполнен с по меньшей мере двумя зонами, включая зону слоя расплавленного металла и зону электролита (например, зону реакции/очистки), и при этом алюминиевое сырье удерживается в зоне слоя расплавленного металла; (b) направление электрического тока в анод через электролит и в катод, причем анод содержит удлиненный вертикальный анод, и причем катод содержит удлиненный вертикальный катод, при этом анод и катод выполнены проходящими в зону электролита (например, в противоположной, разнесенной конфигурации), так что внутри зоны электролита анод и катод выполнены с анод-катодным перекрытием и анодно-катодным расстоянием [причем анод, катод, и электролит выполнены (электрически и механически) с возможностью содержаться внутри алюминиевого электролизера]; (c) смачивание по меньшей мере части поверхности удлиненного вертикального анода расплавленным материалом из зоны слоя расплавленного металла, причем расплавленный материал включает в себя металлический алюминий; (d) одновременно со стадией направления получение по меньшей мере некоторых ионов алюминия в электролите из металлического алюминия на поверхности удлиненного вертикального анода; и (e) одновременно со стадией направления восстановление по меньшей мере некоторых из ионов алюминия в ванне на поверхности удлиненного вертикального катода с получением расплавленного очищенного алюминиевого продукта.
[0005] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: плавление материала сырья перед стадией подачи.
[0006] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: собирание по меньшей мере некоторой части верхнего слоя очищенного алюминиевого продукта, причем этот верхний слой содержит расплавленный очищенный алюминиевый продукт.
[0007] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: удаление очищенного алюминиевого продукта из алюминиевого электролизера.
[0008] В некоторых вариантах осуществления стадия удаления содержит выпуск металла из электролизера.
[0009] В некоторых вариантах осуществления стадия удаления содержит: литье очищенного алюминиевого продукта в слиток с получением алюминиевого продукта, имеющего чистоту алюминия по меньшей мере 99,5 мас.%.
[00010] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: собирание по меньшей мере некоторой части верхнего слоя очищенного алюминия, причем этот верхний слой содержит очищенный алюминиевый продукт.
[00011] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: удаление шлама и/или рафината из слоя расплавленного металла в алюминиевом электролизере через канал доступа электролизера.
[00012] В некоторых вариантах осуществления аноды и катоды выполнены из смачиваемого алюминием материала.
[00013] В некоторых вариантах осуществления стадия направления дополнительно содержит подачу электрического тока к удлиненному вертикальному аноду.
[00014] В некоторых вариантах осуществления анод и катод погружены в электролит.
[00015] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от по меньшей мере 99,5 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00016] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от по меньшей мере 99,8 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00017] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от по меньшей мере 99,9 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00018] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от по меньшей мере 99,98 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00019] В другом аспекте предлагается способ, содержащий: (a) обеспечение алюминиевого электролизера, включающей в себя по меньшей мере две зоны, включая зону слоя расплавленного металла, включающую алюминиевое сырье (например, зону сырья), и зону электролита (например, зону реакции/очистки); (b) направление электрического тока в анод через электролит и в катод, причем анод содержит удлиненный вертикальный анод, и причем катод содержит удлиненный вертикальный катод, при этом анод и катод находятся в электрической связи с электролитом и выполнены проходящими в зону электролита (например, в противоположной, разнесенной конфигурации) так, что анод и катод выполнены с анод-катодным перекрытием и анодно-катодным расстоянием, при этом анод, катод и электролит выполнены с возможностью содержаться внутри алюминиевого электролизера; (c) смачивание по меньшей мере части поверхности удлиненного вертикального анода расплавленным материалом из зоны слоя расплавленного металла, причем расплавленный материал включает в себя металлический алюминий; (d) одновременно со стадией направления получение по меньшей мере некоторых ионов алюминия в электролите из металлического алюминия на поверхности удлиненного вертикального анода; и (e) одновременно со стадией направления восстановление по меньшей мере некоторых из ионов алюминия в ванне на поверхности удлиненного вертикального катода с получением расплавленного очищенного алюминиевого продукта.
[00020] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: формирование третьей зоны, включающей в себя очищенный алюминиевый продукт, причем эта третья зона находится над зоной электролита, определяя верхний слой.
[00021] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: удаление по меньшей мере части очищенного алюминиевого продукта из алюминиевого электролизера посредством операции выпуска металла.
[00022] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: литье очищенного алюминиевого продукта в отливку (например, слиток).
[00023] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: (a) подачу алюминиевого сырья в канал доступа алюминиевого электролизера.
[00024] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя очистку алюминия таким образом, что очищенный алюминиевый продукт получают посредством электролизера при энергетической эффективности 1-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминиевого продукта.
[00025] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий получают посредством электролизера при энергетической эффективности 2-10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминиевого продукта.
[00026] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминиевый продукт получают посредством электролизера при энергетической эффективности 2-6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[00027] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: продувку камеры электролизера инертным газом.
[00028] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: подачу инертного газа в алюминиевый электролизер через впуск инертного газа, выполненный внутри огнеупорной верхней крышки алюминиевого электролизера, причем инертный газ предназначен для обеспечения инертной атмосферы внутри парового пространства, ограниченного в камере электролизера (например, расположенного над электролитом и/или очищенным алюминиевым продуктом).
[00029] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: добавление уплотняющих добавок в алюминиевое сырье для того, чтобы придать плотность алюминиевому сырью для удержания в зоне слоя расплавленного металла перед стадией смачивания.
[00030] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя: добавление компонентов ванны в алюминиевый электролизер через канал доступа электролизера.
[00031] В некоторых вариантах осуществления компоненты ванны предназначены пополнять электролит и способствовать стадиям получения и восстановления.
[00032] В некоторых вариантах осуществления удлиненный вертикальный анод содержит по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала, W, Mo, стали и их сочетаний, а удлиненный вертикальный катод содержит по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала и их сочетаний.
[00033] В другом аспекте предлагается алюминиевый электролизер, содержащий: (a) основание, огнеупорные боковые стенки и огнеупорную верхнюю крышку; (b) дно, расположенное вблизи основания и имеющее верхнюю поверхность; (c) анодный соединитель, находящийся в электрической связи с дном и имеющий внешний конец, выполненный с возможностью соединения с внешним источником питания; (d) удлиненный вертикальный анод, проходящий вверх от верхней поверхности дна и имеющий: (i) ближний конец, соединенный с верхней поверхностью дна; (ii) дальний свободный конец, проходящий вверх к огнеупорной верхней крышке; и (iii) среднюю часть; (e) катодный соединитель вблизи огнеупорной верхней крышки, имеющий: (i) верхний соединительный стержень, выполненный с возможностью соединения с внешним источником питания; и (ii) нижнюю поверхность; (f) удлиненный вертикальный катод, проходящий вниз от нижней поверхности катодного соединителя и имеющий: (i) ближний конец, соединенный с верхней поверхностью катодного соединителя; (ii) дальний свободный конец, проходящий вниз к основанию; и (iii) среднюю часть; причем удлиненный вертикальный катод перекрывается с удлиненным вертикальным анодом так, что дальний конец удлиненного вертикального катода находится вблизи средней части удлиненного вертикального анода, а дальний конец удлиненного вертикального анода находится вблизи средней части удлиненного вертикального катода.
[00034] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя: камеру электролизера, ограниченную огнеупорными боковыми стенками, огнеупорной верхней крышкой и дном; канал доступа электролизера, проникающий через нижнюю часть огнеупорной боковой стенки, тем самым обеспечивающий доступ к нижней части камеры электролизера и имеющий входное отверстие.
[00035] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя: отверстие для выпуска алюминия, проникающее через верхнюю часть огнеупорной боковой стенки и обеспечивающее тем самым доступ к верхней части камеры электролизера.
[00036] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя: впуск инертного газа, образованный в огнеупорной верхней крышке и предназначенный для обеспечения инертной атмосферы в камере электролизера.
[00037] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя: наружную оболочку, причем эта наружная оболочка содержит: пол оболочки, располагающийся под основанием; и боковые стенки оболочки, окружающие огнеупорные боковые стенки и находящиеся на некотором расстоянии от них.
[00038] В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя: теплоизоляцию, причем эта теплоизоляция располагается между полом оболочки и основанием, а также между боковыми стенками оболочки и огнеупорными боковыми стенками.
[00039] В некоторых вариантах осуществления удлиненные вертикальные аноды являются смачиваемыми алюминием.
[00040] В некоторых вариантах осуществления анод выбран из группы, состоящей из: по меньшей мере одного из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала, W, Mo, стали и их сочетаний.
[00041] В некоторых вариантах осуществления удлиненный вертикальный катод является смачиваемым алюминием.
[00042] В некоторых вариантах осуществления катод выбран из группы, состоящей из: по меньшей мере одного из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала и их сочетаний.
[00043] В другом аспекте предлагается способ, содержащий: (a) подачу электрического тока к удлиненному вертикальному аноду в алюминиевом электролизере, содержащем: (i) основание, огнеупорные боковые стенки и огнеупорную верхнюю крышку; (ii) дно, расположенное вблизи основания; (iii) камеру электролизера, ограниченную огнеупорными боковыми стенками, огнеупорной верхней крышкой и дном; (iv) слой расплавленного металла, содержащийся в камере электролизера над дном, причем слой расплавленного металла содержит алюминий и примеси; (v) верхний слой очищенного алюминия, содержащийся в камере электролизера над слоем расплавленного металла; (vi) электролит, содержащийся в камере электролизера и отделяющий верхний слой от нижнего слоя зоны слоя расплавленного металла; (vii) удлиненный вертикальный анод, проходящий вверх от дна через слой расплавленного металла и завершающийся в электролите; (viii) катодный соединитель вблизи огнеупорной верхней крышки; (ix) удлиненный вертикальный катод, проходящий вниз от катодного соединителя и завершающийся в электролите, так что удлиненный вертикальный катод перекрывается с удлиненным вертикальным анодом внутри электролита; (b) смачивание по меньшей мере части поверхности удлиненного вертикального анода расплавленным материалом из слоя расплавленного металла; (c) получение ионов алюминия из слоя расплавленного металла посредством удлиненного вертикального анода; (d) восстановление по меньшей мере некоторых из ионов алюминия посредством удлиненного вертикального катода, с получением тем самым очищенного алюминия; (e) сбор по меньшей мере некоторой части очищенного алюминия в верхнем слое.
[00044] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя обеспечение очищенного алюминия, содержащего от по меньшей мере 99,5 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00045] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя обеспечение очищенного алюминия, содержащего от по меньшей мере 99,8 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00046] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя обеспечение очищенного алюминия, содержащего от по меньшей мере 99,9 мас.% вплоть до 99,999 мас.% Al.
[00047] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя обеспечение очищенного алюминия, содержащего от по меньшей мере 99,98 мас.% до 99,999 мас.% Al.
[00048] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя добавление алюминиевого сырья в камеру электролизера через канал доступа электролизера.
[00049] В некоторых вариантах осуществления стадия добавления содержит дозирование алюминиевого сырья в камеру электролизера с первой скоростью подачи.
[00050] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя удаление очищенного алюминия из камеры электролизера со второй скоростью удаления.
[00051] В некоторых вариантах осуществления первой скоростью подачи управляют на основе, по меньшей мере частично, второй скорости удаления.
[00052] В некоторых вариантах осуществления стадия добавления содержит периодическое добавление алюминиевого сырья в камеру электролизера.
[00053] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя периодическое удаление очищенного алюминия из камеры электролизера.
[00054] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя получение очищенного алюминия, так что очищенный алюминий получают посредством электролизера при энергетической эффективности 1-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[00055] В некоторых вариантах осуществления этот способ обеспечивает то, что очищенный алюминий получают посредством электролизера при энергетической эффективности 2-10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[00056] В некоторых вариантах осуществления этот способ обеспечивает то, что очищенный алюминий получают посредством электролизера при энергетической эффективности 2-6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[00057] В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя продувку камеры электролизера инертным газом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00058] Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления электролизера для очистки алюминия в соответствии с настоящим раскрытием.
[00059] Фиг. 2 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления электролизера для очистки алюминия в соответствии с настоящим раскрытием.
[00060] Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе электролизера электролитической очистки, используемого для стендовых испытаний.
[00061] Фиг. 4 представляет собой схематический вид сверху электролизера электролитической очистки, используемого для стендовых испытаний (катодный узел не показан).
[00062] Фиг. 5 представляет собой график, изображающий полученные экспериментальные данные, иллюстрируемые как Fe в металле, определенное с помощью ИСП (мас.%), приведенные для каждого электролизера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00063] Настоящее изобретение будет дополнительно объяснено со ссылкой на приложенные чертежи, на которых сходные структуры отмечены сходными ссылочными номерами на нескольких видах. Показанные чертежи не обязательно приведены в масштабе, а вместо этого акцент делается на иллюстрировании принципов настоящего изобретения. Кроме того, некоторые признаки могут быть преувеличены для того, чтобы показать детали конкретных компонентов.
[00064] Фигуры составляют часть данного описания и включают в себя иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения и иллюстрируют его различные задачи и признаки. Кроме того, фигуры не обязательно приведены в масштабе, некоторые признаки могут быть преувеличены для того, чтобы показать детали конкретных компонентов. В дополнение к этому, любые измерения, надписи и т.п., показанные на фигурах, являются иллюстративными, а не ограничительными. Следовательно, раскрытые здесь конкретные конструктивные и функциональные подробности должны интерпретироваться не как ограничивающие, а лишь как представительная основа для обучения специалистов в данной области техники разнообразным приемам использования настоящего изобретения.
[00065] Среди тех выгод и усовершенствований, которые были раскрыты, другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания в совокупности с сопроводительными фигурами. Здесь раскрываются подробные варианты осуществления настоящего изобретения, однако следует понимать, что раскрытые варианты осуществления являются просто иллюстрациями настоящего изобретения, которое может быть воплощено в различных формах. В дополнение к этому, каждый из примеров, данных в связи с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, является иллюстративным, а не ограничительным.
[00066] По всему тексту описания и формулы изобретения следующие термины имеют приданные им здесь в явном виде значения, если контекст четко не указывает иное. Используемые здесь фразы «в одном варианте осуществления» и «в некоторых вариантах осуществления» не обязательно относятся к тому же самому варианту (вариантам) осуществления, хотя и могут. Кроме того, используемые здесь фразы «в другом варианте осуществления» и «в некоторых других вариантах осуществления» не обязательно относятся к различным вариантам осуществления, хотя и могут. Таким образом, как описано ниже, различные варианты осуществления настоящего изобретения могут легко комбинироваться без отступлений от объема или сути настоящего изобретения.
[00067] В дополнение к этому, используемый здесь термин «или» является инклюзивным оператором «или» и эквивалентен термину «и/или», если контекст явно не указывает иное. Термин «на основе» не является исключительным и допускает включение дополнительных неописанных факторов, если контекст явно не указывает иное. В дополнение к этому, во всем тексте данного описания формы единственного числа включают также и ссылки на множественное число. Значение предлога «в» включает в себя как «в», так и «на».
[00068] Используемый здесь термин «алюминиевое сырье» означает материал, содержащий по меньшей мере 80 мас.% алюминия.
[00069] Используемый здесь термин «очищенный расплавленный алюминий» означает расплавленный материал, содержащий по меньшей мере 99,5 мас.% алюминия.
[00070] Используемый здесь термин «слой расплавленного металла» означает резервуар расплавленного материала, расположенный под электролитом, причем расплавленный материал содержит алюминий.
[00071] Используемый здесь термин «шлам» означает отходы, осаждающиеся во время очистки алюминия. В некоторых вариантах осуществления шлам содержит твердый материал.
[00072] Используемый здесь термин «рафинат» означает алюминий, имеющий очень высокое содержание примесей.
[00073] Используемый здесь термин «смачиваемый алюминием» означает наличие краевого угла с расплавленным алюминием не более чем 90 градусов.
[00074] Используемый здесь термин «электролит» означает среду, в которой осуществляется протекание электрического тока за счет перемещения ионов/ионных частиц. В одном варианте осуществления электролит может содержать солевой расплав.
[00075] Используемый здесь термин «энергетическая эффективность» означает количество энергии (в киловатт-часах), потребляемой алюминиевым электролизером на килограмм очищенного алюминия, произведенного этим алюминиевым электролизером. Таким образом, энергетическая эффективность может быть выражена в киловатт-часах на килограмм полученного алюминия (кВт⋅ч/кг).
[00076] Используемый здесь термин «анод-катодное перекрытие» (АКП) означает расстояние по вертикали от дальнего конца удлиненного вертикального анода до дальнего конца соответствующего удлиненного вертикального катода.
[00077] Используемый здесь термин «анодно-катодное расстояние» (АКР) означает расстояние по горизонтали, отделяющее удлиненный вертикальный анод от соответствующего удлиненного вертикального катода.
[00078] В одном варианте осуществления настоящее изобретение включает алюминиевый электролизер. Этот электролизер может включать в себя основание, огнеупорные боковые стенки и огнеупорную верхнюю крышку. Этот электролизер может включать в себя дно, расположенное вблизи основания, причем у этого дна есть верхняя поверхность. Этот электролизер может включать в себя анодный соединитель, находящийся в электрической связи с дном и имеющий внешний конец, выполненный с возможностью его соединения с внешним источником питания. Этот электролизер может включать в себя удлиненный вертикальный анод, проходящий вверх от верхней поверхности дна. Удлиненный вертикальный анод может иметь ближний конец, соединенный с верхней поверхностью дна, дальний свободный конец, проходящий вверх к огнеупорной верхней крышке, и среднюю часть. Электролизер может включать в себя катодный соединитель, находящийся вблизи огнеупорной верхней крышки. Катодный соединитель может иметь верхний соединительный стержень, предназначенный для соединения с внешним источником питания, и нижнюю поверхность. Электролизер может иметь удлиненный вертикальный катод, проходящий вниз от нижней поверхности катодного соединителя. Удлиненный вертикальный катод может иметь ближний конец, соединенный с верхней поверхностью катодного соединителя, дальний свободный конец, проходящий вниз к основанию, и среднюю часть. В одном варианте осуществления удлиненный вертикальный катод перекрывается с удлиненным вертикальным анодом таким образом, что дальний конец удлиненного вертикального катода находится вблизи средней части удлиненного вертикального анода, а дальний конец удлиненного вертикального анода находится вблизи средней части удлиненного вертикального катода.
[00079] В одном варианте осуществления алюминиевый электролизер включает в себя камеру электролизера, ограниченную огнеупорными боковыми стенками, огнеупорной верхней крышкой и дном. Электролизер может включать в себя канал доступа, проникающий через нижнюю часть огнеупорной боковой стенки, обеспечивая тем самым доступ к нижней части камеры электролизера. Канал доступа электролизера может иметь входное отверстие.
[00080] В одном варианте осуществления алюминиевый электролизер включает в себя отверстие для выпуска алюминия, проникающее через верхнюю часть огнеупорной боковой стенки и обеспечивающее тем самым доступ к верхней части камеры электролизера. В одном варианте осуществления алюминиевый электролизер включает в себя впуск инертного газа, сформированный в огнеупорной верхней крышке и предназначенный для обеспечения инертной атмосферы в камере электролизера.
[00081] В одном варианте осуществления алюминиевый электролизер включает в себя наружную оболочку, причем эта наружная оболочка содержит: пол оболочки, располагающийся под основанием; и боковые стенки оболочки, находящиеся на некотором расстоянии от огнеупорных боковых стенок и окружающие эти огнеупорные боковые стенки. Алюминиевый электролизер может включать в себя теплоизоляцию, причем теплоизоляция располагается между полом оболочки и основанием, а также между боковыми стенками оболочки и огнеупорными боковыми стенками.
[00082] В одном варианте осуществления удлиненный вертикальный анод является смачиваемым алюминием. В этой связи удлиненный вертикальный анод может включать в себя по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала, W, Mo, стали и их сочетаний.
[00083] В одном варианте осуществления удлиненный вертикальный катод является смачиваемым алюминием. В этой связи удлиненный вертикальный катод может включать в себя по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала и их сочетаний.
[00084] Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, считается, что анод выполнен с возможностью претерпевать электрохимическую реакцию, так что металлический алюминий с примесями анодируется до ионов алюминия Al3+ (переносимых в электролит) таким образом, что примеси остаются на аноде. Затем эти ионы восстанавливаются на поверхности катода и образуют металл алюминий, причем этот метал находится в очищенной форме, поскольку примеси остались на поверхности анода и/или собрались в слое металла (например, учитывая плотность примесей по сравнению с плотностью компонентов электролита/ванны).
[00085] В одном варианте осуществления настоящее изобретение включает способ. Этот способ может включать в себя подачу электрического тока к удлиненному вертикальному аноду в алюминиевом электролизере. Этот алюминиевый электролизер может включать в себя основание, огнеупорные боковые стенки и огнеупорную верхнюю крышку. Алюминиевый электролизер может включать в себя дно, расположенное вблизи основания. Алюминиевый электролизер может включать в себя камеру электролизера, ограниченную огнеупорными боковыми стенками, огнеупорной верхней крышкой и дном. Алюминиевый электролизер может включать в себя слой расплавленного металла, содержащийся в камере электролизера над дном. Слой расплавленного металла может включать в себя алюминий и примеси. Алюминиевый электролизер может включать в себя верхний слой очищенного алюминия, содержащийся в камере электролизера над слоем расплавленного металла. Алюминиевый электролизер может включать в себя электролит, содержащийся в камере электролизера и отделяющий верхний слой от слоя расплавленного металла. Удлиненный вертикальный анод может проходить вверх от дна через слой расплавленного металла и завершаться в электролите. Алюминиевый электролизер может включать в себя катодный соединитель, находящийся вблизи огнеупорной верхней крышки. Алюминиевый электролизер может включать в себя удлиненный вертикальный катод, проходящий вниз от катодного соединителя и завершающийся в электролите, так что удлиненный вертикальный катод перекрывается с удлиненным вертикальным анодом внутри электролита. Способ может включать в себя смачивание по меньшей мере части поверхности удлиненного вертикального анода расплавленным материалом из слоя расплавленного металла. Способ может включать в себя получение ионов алюминия из слоя расплавленного металла посредством удлиненного вертикального анода. Способ может включать в себя восстановление по меньшей мере некоторых из ионов алюминия посредством удлиненного вертикального катода, с получением тем самым очищенного алюминия. Этот способ может включать в себя сбор по меньшей мере части очищенного алюминия в верхнем слое.
[00086] В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,999 мас.% Al. В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий содержит от по меньшей мере 99,8 мас.% до 99,999 мас.% Al. В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий содержит от по меньшей мере 99,9 мас.% до 99,999 мас.% Al. В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий содержит от по меньшей мере 99,98 мас.% до 99,999 мас.% Al.
[00087] В некоторых вариантах осуществления способ включает в себя добавление алюминиевого сырья в камеру электролизера через канал доступа электролизера. В некоторых вариантах осуществления способа стадия добавления содержит дозирование алюминиевого сырья в камеру электролизера с первой скоростью подачи. В некоторых вариантах осуществления этот способ включает в себя удаление очищенного алюминия из камеры электролизера со второй скоростью удаления. В некоторых вариантах осуществления способа первой скоростью подачи управляют на основе, по меньшей мере частично, второй скорости удаления. В некоторых вариантах осуществления способа стадия добавления включает в себя периодическое добавление алюминиевого сырья в камеру электролизера. В некоторых вариантах осуществления способ включает в себя периодическое удаление очищенного алюминия из камеры электролизера.
[00088] В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий получают посредством электролизера с энергетической эффективностью 1-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий получают посредством электролизера с энергетической эффективностью 2-10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления способа очищенный алюминий получают посредством электролизера с энергетической эффективностью 2-6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[00089] В некоторых вариантах осуществления способ включает в себя продувку камеры (19) электролизера инертным газом.
[00090] Фиг. 1 и 2 изображают схемы электролизера для очистки алюминия. В проиллюстрированном варианте осуществления электролизер (1) содержит основание (7), огнеупорные боковые стенки (15) и огнеупорную верхнюю крышку (17). Алюминиевый электролизер (1) включает в себя расположенное вблизи основания (7) дно (30) (т.н. подину). Дно (30) имеет верхнюю поверхность (32) и нижнюю поверхность (34). В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность (32) дна (30) является наклонной. В некоторых вариантах осуществления наклон выполнен под углом менее чем 10 градусов. В некоторых вариантах осуществления наклон выполнен под углом примерно 3-5 градусов. Алюминиевый электролизер (1) включает в себя анодный соединитель (20). Анодный соединитель (20) находится в электрической связи с нижней поверхностью (34) дна (30). В некоторых вариантах осуществления дно включает в себя по меньшей мере один паз, выполненный с возможностью приема анодного соединителя. Анодный соединитель (20) имеет внешний конец (22), выполненный с возможностью его соединения с внешним источником питания.
[00091] Алюминиевый электролизер (1) включает в себя по меньшей мере один удлиненный вертикальный анод (40), проходящий вверх от верхней поверхности (32) дна. Удлиненный вертикальный анод (40) имеет ближний конец (42), дальний свободный конец (44) и среднюю часть (46). Ближний конец (42) удлиненного вертикального анода соединен с верхней поверхностью (32) дна. Дальний свободный конец (44) удлиненного вертикального анода проходит вверх к огнеупорной верхней крышке (17). В некоторых вариантах осуществления удлиненный вертикальный анод (40) является смачиваемым алюминием. Например, удлиненный вертикальный анод (40) может содержать одно или более из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала, W, Mo и стали, а также их сочетаний.
[00092] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя катодный соединитель (50) вблизи огнеупорной верхней крышки (17). Катодный соединитель (50) имеет верхний соединительный стержень (54) и нижнюю поверхность (52). Верхний соединительный стержень (54) выполнен с возможностью его соединения с внешним источником питания.
[00093] Алюминиевый электролизер (1) включает в себя по меньшей мере один удлиненный вертикальный катод (60). Удлиненный вертикальный катод (60) проходит вниз от нижней поверхности (52) катодного соединителя (50). Удлиненный вертикальный катод (60) имеет ближний конец (62), дальний свободный конец (64) и среднюю часть (66). Ближний конец (62) удлиненного вертикального катода соединен с верхней поверхностью (52) катодного соединителя (40). Дальний свободный конец (64) вертикального катода проходит вниз к основанию (7) алюминиевого электролизера. В некоторых вариантах осуществления удлиненный вертикальный катод (60) является смачиваемым алюминием. Например, удлиненный вертикальный катод (60) может содержать одно или более из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала и их сочетаний.
[00094] В варианте осуществления по Фиг. 1 и 2 удлиненный вертикальный катод (60) перекрывается с удлиненным вертикальным анодом (40) таким образом, что дальний конец (64) удлиненного вертикального катода (60) находится вблизи средней части (46) удлиненного вертикального анода (40). Кроме того, в проиллюстрированном варианте осуществления дальний конец (44) удлиненного вертикального анода (40) находится вблизи средней части (66) удлиненного вертикального катода (60). В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие предназначено для балансировки требуемого электролизеру напряжения и/или расхода энергии в электролизере. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет от 0 до 50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет 1-50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет 5-50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет 10-50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет 20-50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет 25-50 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) является по меньшей мере некоторым перекрытием вплоть до 12 дюймов. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет по меньшей мере 2 дюйма перекрывания до 10 дюймов перекрывания. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет по меньшей мере 3 дюйма перекрывания до 8 дюймов перекрывания. В некоторых вариантах осуществления анод-катодное перекрытие (АКП) составляет по меньшей мере 3 дюйма перекрывания до 6 дюймов перекрывания.
[00095] Между удлиненным вертикальным катодом (60) и удлиненным вертикальным анодом (40) могут быть расположены одна или более инертных распорок (100) для того, чтобы поддерживать желаемое анодно-катодное расстояние (АКР). В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 3 дюймов. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 2 дюймов. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 1 дюйма. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 1/4 дюйма. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/4 дюйма до 1/2 дюйма. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 3/4 дюйма. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 1 дюйма. В некоторых вариантах осуществления АКР может составлять от 1/8 дюйма до 1/2 дюйма.
[00096] Огнеупорные боковые стенки (15), огнеупорная верхняя крышка (17) и дно (30) образуют камеру (19) электролизера внутри алюминиевого электролизера (1). В некоторых вариантах осуществления камера (19) электролизера содержит: слой (250) расплавленного металла, верхний слой очищенного расплавленного алюминия (400) и электролит (300). Слой (250) расплавленного металла находится в контакте с дном (30). Электролит (300) отделяет верхний слой (400) от слоя (250) расплавленного металла. Удлиненный вертикальный анод (40) проходит вверх от дна (30) через слой (250) расплавленного металла и завершается в электролите (300). Удлиненный вертикальный катод (60) проходит вниз от катодного соединителя (50) и завершается в электролите (300), так что удлиненный вертикальный катод (60) перекрывается с удлиненным вертикальным анодом (40) внутри электролита (300). Таким образом, удлиненный вертикальный катод (60) отделен от удлиненного вертикального анода (40) электролитом (300).
[00097] Как описано выше, электролит (300) отделяет верхний слой очищенного алюминия (400) от слоя (250) расплавленного металла. В этой связи состав электролита (300) может быть выбран таким образом, чтобы электролит (300) имел более низкую плотность, чем слой (250) расплавленного металла, и более высокую плотность, чем верхний слой очищенного алюминия (400). В некоторых вариантах осуществления электролит (300) может содержать по меньшей мере один из фторидов и/или хлоридов Na, K, Al, Ba, Ca, Ce, La, Cs, Rb, а также их сочетания, помимо прочих.
[00098] Слой (250) расплавленного металла может содержать по меньшей мере один сплав, содержащий один или более из Al, Si, Cu, Fe, Sb, Gd, Cd, Sn, Pb и примесей.
[00099] В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,6 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,7 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,8 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,9 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,95 мас.% до 99,999 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,98 мас.% до 99,999 мас.% алюминия.
[000100] В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,99 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,95 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,9 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,8 мас.% алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный расплавленный алюминий содержит от 99,5 мас.% до 99,7 мас.% алюминия.
[000101] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя множество удлиненных вертикальных анодов (40). В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя множество удлиненных вертикальных катодов (60). Множество удлиненных вертикальных анодов (40) может перемежаться с множеством удлиненных вертикальных катодов (60).
[000102] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя канал (70) доступа электролизера, проникающий в камеру (19) электролизера и тем самым обеспечивающий доступ к нижней части камеры электролизера. Канал (70) доступа электролизера может иметь входное отверстие (72). Алюминиевое сырье (200) может быть добавлено в алюминиевый электролизер (1) через входное отверстие (72).
[000103] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя отверстие (80) для выпуска алюминия, проникающее через огнеупорную боковую стенку (15) и обеспечивающее тем самым доступ к верхней части камеры (19) электролизера. Очищенный алюминий (400) может быть извлечен из алюминиевого электролизера (1) через отверстие (80) для выпуска алюминия.
[000104] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя впуск инертного газа, образованный в огнеупорной верхней крышке (17). Впуск инертного газа предназначен для обеспечения инертной атмосферы (500) в камере (19) электролизера.
[000105] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) включает в себя наружную оболочку (5). Наружная оболочка может содержать сталь или другие подходящие материалы. В некоторых вариантах осуществления наружная оболочка (5) может включать в себя пол (6) оболочки, расположенный под основанием. В некоторых вариантах осуществления наружная оболочка (5) может включать в себя боковые стенки (9) оболочки, находящиеся на некотором расстоянии от огнеупорных боковых стенок (15) и окружающие их.
[000106] В некоторых вариантах осуществления алюминиевый электролизер (1) может включать в себя теплоизоляцию (11). Теплоизоляция может быть расположена между полом (6) оболочки и основанием (7) и между боковыми стенками (9) оболочки и огнеупорными боковыми стенками (15). Теплоизоляция может способствовать высокой электрической эффективности алюминиевого электролизера (1).
[000107] Один вариант осуществления способа очистки алюминия включает в себя подачу электрического тока к удлиненному вертикальному аноду (40). Расплавленный материал, включая расплавленный алюминий, из слоя (250) расплавленного металла может «ползти» вверх по вертикальным поверхностям удлиненного вертикального анода (40). В некоторых вариантах осуществления такое направленное вверх перемещение расплавленного материала из слоя расплавленного металла может происходить непрерывно во время работы электролизера (1). В некоторых вариантах осуществления удлиненный вертикальный анод может охватывать по существу все открытые поверхности удлиненного вертикального анода (40). Расплавленный алюминий на поверхности удлиненного вертикального анода (40) может анодироваться посредством удлиненного вертикального анода (40), тем самым давая ионы алюминия. По меньшей мере некоторые из этих ионов алюминия могут переноситься через электролит к поверхности удлиненного вертикального катода (60). По меньшей мере некоторые из этих ионов алюминия могут быть восстановлены посредством удлиненного вертикального катода (60), тем самым давая очищенный алюминий на поверхности удлиненного вертикального катода (60). Без привязки к какому-либо конкретному механизму или теории, одно возможное объяснение заключается в том, что очищенный алюминий затем «ползет» вверх по поверхности удлиненного вертикального катода (60) благодаря плавучести очищенного алюминия в электролите (300). Таким образом, очищенный алюминий может быть склонен собираться в виде слоя (400) над электролитом (300). Например, исходя из различий в плотности между очищенным алюминиевым продуктом и электролитом (например, компонентами ванны в электролите), а также слоем расплавленного металла (например, включающим сырье с металлическим алюминием, примесями и/или уплотняющими добавками (присадками для увеличения плотности)), слой металла выполнен с большей плотностью, чем у электролита, так что зона слоя расплавленного металла находится ниже зоны электролита.
[000108] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 1-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 1-10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 1-8 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 1-6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 1-4 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[000109] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 5-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 10-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 12-15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[000110] В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 2-10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 2-8 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия. В некоторых вариантах осуществления очищенный алюминий (400) может производиться посредством электролизера (1) с энергетической эффективностью 2-6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
[000111] В некоторых вариантах осуществления способ может включать в себя добавление алюминиевого сырья (200) в камеру (19) электролизера через входное отверстие (72) электролизера. В некоторых вариантах осуществления алюминиевое сырье (200) может добавляться по существу непрерывно во время работы электролизера (1). В некоторых вариантах осуществления алюминиевое сырье (200) может добавляться путем дозирования алюминиевого сырья (200) с первой скоростью подачи. В некоторых вариантах осуществления алюминиевое сырье (200) может добавляться периодически.
[000112] В некоторых вариантах осуществления способ может включать в себя удаление по меньшей мере некоторой части верхнего слоя (400) очищенного алюминия из электролизера (1) через отверстие (80) для выпуска алюминия. В некоторых вариантах осуществления алюминиевое сырье (200) может удаляться по существу непрерывно во время работы электролизера (1). В некоторых вариантах осуществления первой скоростью удаления можно управлять, например, на основе, по меньшей мере частично, второй скорости удаления. В некоторых вариантах осуществления алюминиевое сырье (200) может удаляться периодически во время работы электролизера (1). В некоторых вариантах осуществления стадия удаления совершается оборудованием, выполненным с возможностью удаления очищенного алюминиевого продукта без загрязнения продукта (например, оборудованием для выпуска металла из глинозема, графита и/или TiB2).
[000113] В некоторых вариантах осуществления способ может включать в себя обеспечение инертной атмосферы в камере (19) электролизера через впуск (90) инертного газа. В этой связи камера электролизера может быть герметизирована от окружающей атмосферы. Примеры инертных газов включают в себя, среди прочего, гелий, аргон и азот.
[000114] В некоторых вариантах осуществления может получаться шлам (220) вследствие, по меньшей мере отчасти, стадии пропускания. Шлам (220) может иметь более высокую плотность, чем слой (250) расплавленного металла. Как описано выше, верхняя поверхность (32) дна (30) может быть наклонной. В некоторых вариантах осуществления такой наклон может идти от огнеупорной боковой стенки (15) вниз к каналу (70) доступа электролизера. Таким образом, шлам (220) может стекать вдоль верхней поверхности (32) к каналу (70) доступа электролизера. В некоторых вариантах осуществления шлам может удаляться из камеры (19) электролизера через канал (70) доступа электролизера. В некоторых вариантах осуществления примеси могут иметь тенденцию собираться в слое (250) расплавленного металла. Таким образом, канал (70) доступа электролизера может облегчить удаление по меньшей мере части слоя (250) расплавленного металла.
ПРИМЕРЫ
[000115] Следующие примеры предназначены для иллюстрации настоящего изобретения и ни в каком случае не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение.
Стендовый электролизер электролитической очистки
[000116] Схема электролизера, используемого для проведения лабораторных испытаний электролизера электролитической очистки, показана на Фиг. 3 и 4 (не в масштабе). Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе электролизера электролитической очистки, используемого для стендовых испытаний. Фиг. 4 представляет собой схематический вид сверху электролизера электролитической очистки, используемого для стендовых испытаний (катодный узел не показан). Фиг. 5 представляет собой график, изображающий полученные экспериментальные данные, иллюстрируемые как Fe в металле, определенное с помощью ИСП (мас.%), приведенные для каждого электролизера.
[000117] Провели четыре стендовых испытания, используя различные электролиты и конфигурации анодных пластин, с использованием конфигурации электролизера, показанной на Фиг. 3 и 4. Электролизер помещали внутри электропечи (101) для нагрева и управления температурой электролизера. Внутри печи электролизер содержался в реторте (102) из инконеля, в которой был размещен графитовый тигель (103). Графитовый тигель обеспечивал электрическое соединение со слоем анодного алюминия на дне электролизера. Футеровка (104) из глинозема была размещена внутри графитовой реторты для того, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между стенкой графитовой реторты и электролитом, а также стенкой графитовой реторты и катодным алюминием.
[000118] Загрязненный алюминий (сырье), сплавленный с медью (например, в качестве уплотняющей добавки с концентрацией 15-60%, при целевом ее содержании 35 мас.%), добавляли в электролизер в качестве анодного алюминия. Медь добавляли к загрязненному алюминию для увеличения плотности расплава, чтобы она была больше плотности электролита. Два вертикальных анода (пластины (105) из TiB2) установлены в слое анодного алюминия так, чтобы их концы проходили вертикально в электролит.
[000119] Катодный электрический соединитель был выполнен из графитового блока (106). Вертикальный катод (пластина (108) из TiB2) был защемлен в графитовом катодном электрическом соединителе и помещен между двумя анодными пластинами. Катодный электрический соединитель удерживался надстройкой, не показанной на Фиг. 3. Катодная пластина имела те же самые размеры, что и каждая анодная пластина для испытания 1. Для испытания 2 площадь анодной пластины удвоили, в то время как площадь катодной пластины оставили той же самой, что и в испытании 1. Площадь анодной пластины удвоили путем удвоения ее ширины, где ширина является длинным размером анодной пластины на виде сверху вниз, изображенном на Фиг. 4. Два других опыта, испытания 3 и 4, показаны в Таблице 1, а результаты всех четырех испытаний изображены на Фиг. 5. Графитовый блок имел полость для сбора чистого алюминия по мере того, как он производился на пластине из TiB2 и тек вверх благодаря силам выталкивания. Уровень (109) анодного алюминия заполнял дно графитового тигля и уменьшался по мере работы электролизера.
[000120] Использованным в испытаниях электролитом была смесь солей AlF3, NaF, KF и BaF2. Уровень (107) электролита поддерживали около верха графитовой реторты. Состав смеси электролита подбирали так, чтобы у нее была плотность (в расплавленном состоянии) между плотностями анодного алюминия и катодного алюминия. В состав электролита для испытания 1 входили BaF2, AlF3 и KF. В состав электролита для испытания 2 входили BaF2, AlF3 и NaF. Другие пригодные составы электролита включают те, которые имеют по меньшей мере 5% BaF2 и по меньшей мере 5% AlF3.
[000121] Электролизер, содержавший анодный алюминиевый сплав и смесь электролита, нагревали и поддерживали при температуре 700-900 градусов Цельсия с помощью электропечи. Подавали постоянный ток силой от 0 до 150 А между анодами и катодом после достижения смесью электролита заданной температуры.
[000122] Напряжение на электролизере, ток и температуру записывали во время каждого испытания с использованием системы сбора данных. Очищенный алюминий собирали в катодной сборной полости. Измеряли количество примеси железа в алюминии из образцов, взятых из исходного алюминия и очищенного расплавленного алюминия для того, чтобы количественно определить эффективность очистки. Концентрации элементарных примесей в расплавленном алюминии измеряли с использованием масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП).
[000123] Результаты этих двух испытаний показаны в нижеприведенной Таблице 1.
Таблица 1. Сводка результатов испытаний двух электролизеров электролитической очистки.
| Параметры электролизера | Металлическая примесь по ИСП | ||||||
| Опыт | Ток | Напряжение | Композиция электролита | Температура | Продолжительность | Введенный металл | Выпущенный металл |
| № | (A) | (В) | C | (час) | Fe (мас.%) | Fe (мас.%) | |
| Чистый - 1 | 40 | 1,2 | AlF3-KF-BaF2 | 900 | 16 | 0,19 | 0,055 |
| 60 | 1,5 | 900 | 20 | 0,014 | |||
| Чистый - 2 | 40 | 0,6 | AlF3-NaF-BaF2 | 900 | 106 | 0,20 | 0,020 |
| Чистый - 3 | 40 | 1,1 | AlF3-NaF-BaF2 | 850 | 53 | 1,4 | 0,008 |
| Чистый - 4 | 50 | 1,2 | AlF3-NaF-BaF3 | 900 | 32 | 0,18 | 0,003 |
| 42 | 0,004 |
[000124] Хотя выше был описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что эти варианты осуществления являются только иллюстративными, а не ограничительными, и что специалистам в данной области техники может стать очевидным множество модификаций. Кроме того, различные стадии могут быть осуществлены в любом желаемом порядке (и любые желаемые стадии могут быть добавлены и/или любые желаемые стадии могут быть исключены).
1. Способ очистки алюминия, включающий:
(a) подачу алюминиевого сырья в канал доступа алюминиевого электролизера, причем алюминиевый электролизер содержит зону слоя расплавленного металла и зону электролита и при этом подача включает обеспечение алюминиевого сырья в зоне слоя расплавленного металла;
(b) направление электрического тока в анод через электролит к катоду, причем анод содержит твердый удлиненный вертикальный анод и причем катод содержит удлиненный вертикальный катод, при этом анод и катод находятся в жидкостной связи с зоной электролита, причем анод и катод заходят в зону электролита так, что внутри зоны электролита анод и катод реализуют анод-катодное перекрытие и анодно-катодное расстояние;
(c) смачивание по меньшей мере части поверхности твердого удлиненного вертикального анода расплавленным материалом из зоны слоя расплавленного металла, причем расплавленный материал содержит металлический алюминий;
(d) одновременно со стадией направления получение по меньшей мере некоторых ионов алюминия в зоне электролита посредством металлического алюминия на поверхности удлиненного вертикального анода; и
(e) одновременно со стадией направления восстановление по меньшей мере некоторых из ионов алюминия в зоне электролита на поверхности удлиненного вертикального катода с получением тем самым расплавленного очищенного алюминиевого продукта.
2. Способ по п. 1, который включает плавление материала сырья перед стадией подачи.
3. Способ по п. 1, который включает собирание по меньшей мере некоторой части расплавленного очищенного алюминиевого продукта в верхней зоне, причем эта верхняя зона содержит расплавленный очищенный алюминиевый продукт.
4. Способ по п. 1, который включает удаление расплавленного очищенного алюминиевого продукта из алюминиевого электролизера.
5. Способ по п. 4, в котором стадия удаления включает выпуск металла из алюминиевого электролизера.
6. Способ по п. 4, в котором стадия удаления включает литье расплавленного очищенного алюминиевого продукта в слиток, причем этот слиток содержит алюминиевый продукт, имеющий чистоту алюминия по меньшей мере 99,5 мас.%.
7. Способ по п. 3, который включает собирание по меньшей мере некоторой части очищенного алюминиевого продукта верхней зоны, содержащей очищенный алюминиевый продукт.
8. Способ по п. 1, который включает удаление по меньшей мере одного из шлама и рафината из зоны расплавленного металла в алюминиевом электролизере через канал доступа электролизера.
9. Способ по п. 1, в котором анод и катод содержат смачиваемый алюминием материал.
10. Способ по п. 1, в котором стадия направления включает подачу электрического тока к твердому удлиненному вертикальному аноду.
11. Способ по п. 1, в котором анод и катод погружены в электролит.
12. Способ по п. 1, в котором расплавленный очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от 99,5 мас.% до 99,999 мас.% Al.
13. Способ по п. 1, в котором очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от 99,8 мас.% до 99,999 мас.% Al.
14. Способ по п. 1, в котором очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от 99,9 мас.% до 99,999 мас.% Al.
15. Способ по п. 1, в котором очищенный алюминиевый продукт имеет чистоту алюминия от 99,98 мас.% до 99,999 мас.% Al.
16. Способ по п. 1, который включает формирование третьей зоны, содержащей очищенный алюминиевый продукт, причем эта третья зона расположена над зоной электролита.
17. Способ по п. 16, в котором третья зона представляет собой верхний слой.
18. Способ по п. 1, который включает литье расплавленного очищенного алюминиевого продукта в отливку.
19. Способ по п. 1, в котором расплавленный очищенный алюминиевый продукт получают посредством алюминиевого электролизера при энергетической эффективности от 1 до 15 кВт⋅ч/кг очищенного алюминиевого продукта.
20. Способ по п. 1, в котором расплавленный очищенный алюминий получают посредством алюминиевого электролизера при энергетической эффективности от 2 до 10 кВт⋅ч/кг очищенного алюминиевого продукта.
21. Способ по п. 1, в котором расплавленный очищенный алюминиевый продукт получают посредством алюминиевого электролизера при энергетической эффективности от 2 до 6 кВт⋅ч/кг очищенного алюминия.
22. Способ по п. 1, в котором алюминиевый электролизер содержит камеру, которую продувают инертным газом.
23. Способ по п. 1, который включает получение инертного свободного пространства внутри алюминиевого электролизера путем протекания инертного газа в алюминиевый электролизер через впуск инертного газа, при этом впуск инертного газа расположен в огнеупорной верхней крышке алюминиевого электролизера.
24. Способ по п. 1, который включает повышение плотности зоны слоя расплавленного металла, причем это повышение плотности содержит использование уплотняющих добавок в алюминиевом сырье.
25. Способ по п. 1, который включает добавление компонентов ванны в алюминиевый электролизер через канал доступа электролизера.
26. Способ по п. 25, в котором компоненты ванны пополняют электролит и способствуют стадиям получения и восстановления.
27. Способ по п. 1, в котором твердый удлиненный вертикальный анод содержит по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала, W, Mo, стали и их сочетаний и удлиненный вертикальный катод содержит по меньшей мере одно из TiB2, ZrB2, HfB2, SrB2, углеродистого материала и их сочетаний.
