BR112012005051B1

BR112012005051B1 - CATHOD STRUCTURE FOR AN ELECTROLYSIS CELL

Info

Publication number: BR112012005051B1
Application number: BR112012005051-6A
Authority: BR
Inventors: Ingo Eick; Dirk Kroschinski
Original assignee: Norsk Hydro Asa
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2019-05-21
Also published as: IN2012DN01944A; WO2011028132A1; AU2010290196A1; CA2773127A1; ZA201201656B; EP2475807B1; AU2010290196B2; EP2475807A1; CN102549198B; EP2475807A4; EA021620B1; NO2475807T3; AR078338A1; CN102549198A; EA201200453A1; BR112012005051A2; NZ598998A; CA2773127C

Abstract

estrutura de catodo para uma célula de eletrólise estrutura de catodo para uma célula de eletrólise, preferivelmente uma célula para produção de alumínio de acordo com o processo hall-héroult, dita estrutura compreende um invólucro com enrijecedores verticais e bandas horizontais em seu exterior e ainda diversas estruturas berço (12) que consistem de elementos estruturais verticais interconectados (6) e vigas horizontais (5). a estrutura compreende no mínimo uma banda horizontal (9) que tem aberturas (16) e ainda que é arranjada em contato com dito invólucro.cathode structure for an electrolysis cell cathode structure for an electrolysis cell, preferably an aluminum production cell according to the hall-heroult process, said structure comprises a housing with vertical stiffeners and horizontal bands on the outside and yet several cradle structures (12) consisting of interconnected vertical structural elements (6) and horizontal beams (5). the structure comprises at least one horizontal web (9) having openings (16) and yet arranged in contact with said housing.

Description

“ESTRUTURA DE CATODO PARA UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE” [001] A presente invenção é relativa a uma estrutura de catodo para uma célula de eletrólise de alumínio.“CATHODIC STRUCTURE FOR AN ELECTROLYSIS CELL” [001] The present invention relates to a cathode structure for an aluminum electrolysis cell.

[002] Células de eletrólise para produção de alumínio baseadas no princípio Hall-Héroult têm, comumente, anodos pré-cozidos em sua parte superior e uma estrutura de catodo em sua parte inferior. A estrutura de catodo compreende principalmente um invólucro (invólucro) exterior de aço dotada de enrijecedores verticais e vigas horizontais em seu exterior que são feitas também de aço, a estrutura de catodo ainda sendo dotada de camadas de material protetor isolante em seu interior. Na parte de fundo, principalmente horizontal da estrutura de catodo existem comumente arranjados blocos de carbono condutores eletrônicos. A estrutura de catodo, quando em operação, contém um calço de metal alumínio derretido acima daquele material banho derretido que tem temperaturas que podem estar aproximadamente em 970 ° ou ainda mais elevada.[002] Electrolysis cells for aluminum production based on the Hall-Héroult principle commonly have precooked anodes on their upper part and a cathode structure on their lower part. The cathode structure mainly comprises an outer casing (casing) made of steel with vertical stiffeners and horizontal beams on its exterior which are also made of steel, the cathode structure still being provided with layers of insulating protective material inside. In the bottom, mainly horizontal part of the cathode structure, electrically conductive carbon blocks are commonly arranged. The cathode structure, when in operation, contains a molten aluminum metal wedge above that molten bath material that has temperatures that can be approximately 970 ° or even higher.

[003] A característica principal do invólucro de aço exterior que inclui os enrijecedores e vigas é manter a configuração geométrica e dimensional da estrutura de catodo durante sua vida útil de operação. Devido ao inchamento químico contínuo do catodo de revestimento, bem como as altas temperaturas envolvidas e o efeito que isto tem nas propriedades de componentes de revestimento de aço envolvidos, diversas tentativas foram realizadas para fazer a estrutura de invólucro de aço e a configuração de enrijecedores capazes de suportar esta influência em uma maneira de longa duração.[003] The main characteristic of the outer steel casing that includes the stiffeners and beams is to maintain the geometric and dimensional configuration of the cathode structure during its operating life. Due to the continuous chemical swelling of the coating cathode, as well as the high temperatures involved and the effect this has on the properties of steel coating components involved, several attempts have been made to make the steel shell structure and the configuration of stiffeners capable to endure this influence in a long-lasting manner.

[004] Por exemplo, resfriamento apropriado pode aliviar alguns dos efeitos nocivos da temperatura no invólucro de aço para impedir envelhecimento do aço e colapso de propriedades mecânicas como resistência, elasticidade, etc. Na técnica precedente existem exemplos de arranjos para resfriamento natural, projetando a estrutura de enrijecimento em[004] For example, proper cooling can alleviate some of the harmful effects of temperature on the steel casing to prevent aging of the steel and collapse of mechanical properties such as strength, elasticity, etc. In the preceding technique there are examples of arrangements for natural cooling, designing the stiffening structure in

Petição 870190002499, de 09/01/2019, pág. 6/33 / 6 uma maneira que permite que ar circundante passe próximo à estrutura do invólucro.Petition 870190002499, of 01/09/2019, p. 6/33 / 6 a way that allows surrounding air to pass close to the housing structure.

[005] A US 4087345 divulga uma estrutura de catodo projetada para ser resfriada por meio de resfriamento natural e onde são arranjados dutos ou passagens entre enrijecedores verticais fora do invólucro de catodo para permitir uma tiragem de ar para cima. Vigas horizontais arranjadas como uma parte da estrutura de enrijecimento são arranjadas sobre o exterior dos enrijecedores verticais.[005] US 4087345 discloses a cathode structure designed to be cooled by means of natural cooling and where ducts or passages are arranged between vertical stiffeners outside the cathode casing to allow upward draft of air. Horizontal beams arranged as a part of the stiffening structure are arranged on the outside of the vertical stiffeners.

[006] Devido às cargas térmicas elevadas em células modernas de eletrólise com amperagens que se aproximam de 400 kA ou mesmo mais, expansão térmica e retorcimento ou torção baseadas em desvio dos elementos verticais podem provocar estabilidade estrutural insuficiente do invólucro de aço.[006] Due to the high thermal loads in modern electrolysis cells with amperages approaching 400 kA or even more, thermal expansion and twisting or twisting based on deviation from vertical elements can cause insufficient structural stability of the steel casing.

[007] A US 4.322.282 divulga um tanque para uma célula eletrolítica dotada de seções ocas horizontais móveis presas às paredes laterais do tanque metálico. As seções dobram para dentro como resultado do gradiente de temperatura através delas, de tal modo que elas contrariam uma pressão sobre as paredes laterais devido à dilatação do conteúdo da célula, atuando assim como uma mola térmica. São providenciados furos em paredes horizontais opostas da seção oca de modo a reduzir condução térmica dentro das seções, e com isto manter nelas o gradiente de temperatura. A circulação de ar que resulta ajuda ainda mais a alcançar e manter a diferença de temperatura.[007] US 4,322,282 discloses a tank for an electrolytic cell equipped with movable horizontal hollow sections attached to the side walls of the metal tank. The sections bend inward as a result of the temperature gradient across them, such that they counter pressure on the side walls due to the expansion of the cell contents, thus acting as a thermal spring. Holes are provided in opposite horizontal walls of the hollow section in order to reduce thermal conduction within the sections, and thereby maintain the temperature gradient in them. The resulting air circulation further helps to achieve and maintain the temperature difference.

[008] Contudo, devido aos furos bastante pequenos colocados nas duas paredes horizontais opostas, a seção oca irá restringir fortemente a tiragem natural para cima ao longo do invólucro de aço. Simulações mostram que escoamento dentro da seção oca será parcialmente vertical e parcialmente circulante, resultando em menos transporte de calor da seção oca. Em particular, escoamento junto à invólucro será parcialmente direcionado para[008] However, due to the rather small holes placed in the two opposite horizontal walls, the hollow section will severely restrict the natural draft upwards along the steel casing. Simulations show that flow within the hollow section will be partially vertical and partially circulating, resulting in less heat transport from the hollow section. In particular, flow near the enclosure will be partially directed to

Petição 870190002499, de 09/01/2019, pág. 7/33 / 6 baixo e fornecerá resfriamento escasso nesta região. Isto está mais ilustrado na figura 3.Petition 870190002499, of 01/09/2019, p. 7/33 / 6 low and will provide scarce cooling in this region. This is further illustrated in figure 3.

[009] De acordo com a presente invenção, no mínimo uma banda horizontal é arranjada em contato com a invólucro de aço sem elementos verticais intermediários que podem, como resultado de cargas térmicas, alterar sua configuração geométrica. Para reduzir ou eliminar o efeito negativo de arranjar bandas horizontais em contato direto com as placas de aço (invólucro) são feitas provisões para resfriamento adequado destas bandas e das próprias placas. Com a presente invenção é conseguida uma solução estável e efetiva em custo em relação ao fenômeno negativo de envelhecimento e desvio geométrico dimensional nos componentes estruturais do invólucro do vaso. A banda tem aberturas voltadas para a invólucro.[009] According to the present invention, at least one horizontal band is arranged in contact with the steel casing without intermediate vertical elements that can, as a result of thermal loads, change its geometric configuration. To reduce or eliminate the negative effect of arranging horizontal bands in direct contact with the steel plates (casing), provisions are made for adequate cooling of these bands and the plates themselves. With the present invention a stable and cost-effective solution is achieved in relation to the negative phenomenon of aging and dimensional geometric deviation in the structural components of the vessel shell. The band has openings facing the housing.

[0010] Estas e outras vantagens podem ser alcançadas de acordo com a invenção como descrita nos desenhos de patente que acompanham.These and other advantages can be achieved according to the invention as described in the accompanying patent drawings.

[0011] No que segue a invenção será ainda descrita por meio de exemplos e figuras, onde:[0011] In what follows the invention will be further described by means of examples and figures, where:

[0012] A figura 1 divulga uma vista tridimensional de uma estrutura de invólucro de quarto de vaso sem as paredes interiores para melhor visibilidade.[0012] Figure 1 discloses a three-dimensional view of a vessel room enclosure structure without the interior walls for better visibility.

[0013] A figura 2 divulga uma vista tridimensional de uma estrutura extrema do invólucro do vaso mostrado na figura 1 sem a parede extrema e a placa plataforma.[0013] Figure 2 discloses a three-dimensional view of an extreme structure of the vessel casing shown in figure 1 without the extreme wall and the platform plate.

[0014] A figura 3 divulga escoamento de ar dentro de uma seção oca do tipo da técnica precedente.[0014] Figure 3 discloses air flow within a hollow section of the type of the preceding technique.

[0015] A figura 4 divulga o fluxo de ar de acordo com a presente invenção através de uma banda inferior e superior.[0015] Figure 4 discloses the air flow according to the present invention through a lower and upper band.

[0016] Como pode ser visto da figura 1, nela está mostrado em uma vista em 3D um quarto de uma estrutura de invólucro de vaso 1 onde as placas de aço não estão mostradas. Metade de uma parede extrema 2 e, de[0016] As can be seen from figure 1, it is shown in a 3D view a quarter of a vessel casing structure 1 where the steel plates are not shown. Half of an extreme wall 2 and then

Petição 870190002499, de 09/01/2019, pág. 8/33 / 6 maneira correspondente, metade de uma parede lateral 3, bem como um quarto de um fundo 4, foram divulgados. A parede extrema compreende em seus constituintes principais uma placa plataforma 7, enrijecedores verticais 8, 8', 8'', 8''', uma banda horizontal 9, e um flange de suporte de reforço 10. [0017] A parede lateral 3 compreende uma placa plataforma 11, elementos estruturais verticais 6, 6', 6'', 6''', 6'''', 6''''', 6'''''', que de fato é uma parte de uma estrutura berço 12, juntamente com vigas horizontais correspondentes 5, 5, 5, 5 , 5 , 5 , 5 , que sao interconectadas de maneira fixa com os ditos elementos estruturais verticais. Além disto, a parede lateral 3 compreende uma pluralidade de enrijecedores verticais 13, 14, 15, que atuam adicionalmente como aletas de resfriamento.Petition 870190002499, of 01/09/2019, p. 8/33 / 6 correspondingly, half of a side wall 3, as well as a quarter of a bottom 4, have been disclosed. The extreme wall comprises in its main constituents a platform plate 7, vertical stiffeners 8, 8 ', 8' ', 8' '', a horizontal band 9, and a reinforcement support flange 10. [0017] The side wall 3 comprises a platform plate 11, vertical structural elements 6, 6 ', 6' ', 6' '', 6 '' '', 6 '' '' ', 6' '' '' ', which is in fact a part of a cradle structure 12, together with corresponding horizontal beams 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, which are fixedly interconnected with said vertical structural elements. In addition, the side wall 3 comprises a plurality of vertical stiffeners 13, 14, 15, which additionally act as cooling fins.

[0018] A figura 2 divulga em uma vista em 3D, a estrutura de parede extrema 2 como parcialmente mostrada na figura 1, aqui em sua extensao completa, e onde a placa plataforma foi removida. Como indicado na figura 1, o flange de suporte de reforço 10 representa o elemento mais exterior da estrutura de parede extrema. O flange de suporte é ainda ligado às paredes laterais e ao elemento estrutural vertical 6'''''' linhas da estrutura de berço a mais próxima desta extremidade. Dentro do flange de suporte 10 existe arranjada a banda principalmente horizontal 9, cuja periferia exterior se ajusta à forma da banda de suporte.[0018] Figure 2 discloses in a 3D view, the extreme wall structure 2 as partially shown in figure 1, here in its complete extension, and where the platform plate was removed. As shown in figure 1, the reinforcement support flange 10 represents the outermost element of the extreme wall structure. The support flange is also connected to the side walls and the vertical structural element 6 '' '' '' lines of the cradle structure the closest to this end. Inside the support flange 10 there is arranged the mainly horizontal band 9, whose outer periphery fits the shape of the support band.

[0019] Como indicado na figura 1, a estrutura de parede extrema ainda compreende enrijecedores verticais 8, 8', 8'', 8''', 8'''', 8''''', 8''''''. O número de enrijecedores é uma funçao da largura da invólucro e forças interiores que se antecipam. Estes enrijecedores sao integrados na banda horizontal 9 por meio de qualquer método de fabricaçao apropriado. Por exemplo, a banda 9 pode ter fendas adaptadas aos enrijecedores que sao em seguida fixados à banda, por exemplo, por soldagem. Outro método pode ser fabricar a banda 9 em pedaços ou placas apropriadas que encontram os enrijecedores e que em seguida sao fixados aos enrijecedores.[0019] As indicated in figure 1, the extreme wall structure still comprises vertical stiffeners 8, 8 ', 8' ', 8' '', 8 '' '', 8 '' '' ', 8' '' ' '' The number of stiffeners is a function of the casing width and anticipated interior forces. These stiffeners are integrated into the horizontal band 9 by any suitable manufacturing method. For example, web 9 may have slots adapted to the stiffeners which are then attached to the web, for example, by welding. Another method may be to fabricate the strip 9 into suitable pieces or plates which meet the stiffeners and which are then attached to the stiffeners.

Petição 870190002499, de 09/01/2019, pág. 9/33 / 6 [0020] Nesta modalidade, os enrijecedores verticais são dotados de um flange em seu lado exterior. Uma parte de tal flange está indicada em 8a' no enrijecedor 8'. Uma finalidade deste flange é aprimorar rigidez a dobra mento e torção no enrijecedor com relação às cargas que ocorrem. O lado interior do enrijecedor é fixado às placas de aço do invólucro do vaso por meio de meios apropriados, por exemplo, soldagem. De maneira similar, os enrijecedores são conectados a uma extensão da placa de fundo do invólucro (não mostrado) para aprimorar rigidez na parede extrema.Petition 870190002499, of 01/09/2019, p. 9/33 / 6 [0020] In this mode, the vertical stiffeners are provided with a flange on their outer side. A part of such a flange is indicated at 8a 'on the stiffener 8'. One purpose of this flange is to improve stiffness, bending and torsion in the stiffener with respect to the loads that occur. The inner side of the stiffener is fixed to the steel plates of the vessel casing by means of appropriate means, for example, welding. Similarly, the stiffeners are connected to an extension of the bottom plate of the enclosure (not shown) to improve stiffness in the extreme wall.

[0021] Para assegurar ventilação suficiente ao longo do invólucro do vaso, com base na tiragem para cima, a banda horizontal 9 é dotada de diversos furos ou aberturas 16, 16', 16'', 16''', 16'''', 16''''', 16'''''', 16'''''''. Estas aberturas são feitas suficientemente largas e profundas para reduzir a presença da banda horizontal com relação à ventilação. Preferivelmente, as aberturas são feitas semicirculares ou semi-elípticas ou poligonais, e são representadas por recortes discretos na borda lateral da banda. As partes de ligação ou salientes da banda entre recessos vizinhos são conectadas à invólucro do vaso por meio de meios apropriados, por exemplo, soldagem. Na figura 2 podem ser vistas aletas verticais 17, 17', 17'', 17''', '''', 17''''', 17'''''', 17''''''', que passam através de aberturas correspondentes. A finalidade das aletas é de maneira primária aprimorar resfriamento do invólucro do vaso por meio de condutância (condução), porém efeitos adicionais são guiar o escoamento de ar, bem como enrijecimento adicional das placas de invólucro do vaso. As aletas são fixadas de maneira vantajosa à invólucro do vaso por meios apropriados tal como soldagem.[0021] To ensure sufficient ventilation along the vessel casing, based on the upward draft, the horizontal band 9 is provided with several holes or openings 16, 16 ', 16' ', 16' '', 16 '' ' ', 16' '' '', 16 '' '' '' ', 16' '' '' ''. These openings are made wide and deep enough to reduce the presence of the horizontal band with respect to ventilation. Preferably, the openings are made semicircular or semi-elliptical or polygonal, and are represented by discrete indentations on the side edge of the band. The connecting or protruding parts of the band between neighboring recesses are connected to the vessel casing by means of appropriate means, for example, welding. Figure 2 shows vertical fins 17, 17 ', 17' ', 17' '', '' '', 17 '' '' ', 17' '' '' ', 17' '' '' '' , which pass through corresponding openings. The purpose of the fins is primarily to improve cooling of the vessel casing by means of conductance (conduction), but additional effects are to guide the flow of air, as well as additional stiffening of the vessel casing plates. The fins are advantageously fixed to the vessel casing by appropriate means such as welding.

[0022] Deveria ser entendido que a estrutura de parede extrema pode ter duas bandas horizontais do tipo nove, que são espaçadas separadas (não mostrado).[0022] It should be understood that the extreme wall structure can have two horizontal bands of type nine, which are spaced apart (not shown).

Petição 870190002499, de 09/01/2019, pág. 10/33 / 6 [0023] Um padrão de escoamento de ar de acordo com tal arranjo está mostrado na figura 3. Pode ser visto de forma clara que o escoamento de ar é direcionado para cima ao longo da parede do invólucro e através dos furos de ventilação ou aberturas do tipo 16.Petition 870190002499, of 01/09/2019, p. 10/33 / 6 [0023] An air flow pattern according to such an arrangement is shown in figure 3. It can be seen clearly that the air flow is directed upwards along the wall of the enclosure and through the holes ventilation or type 16 openings.

Claims

1. Cathode structure for an electrolysis cell for aluminum production according to the Hall-Héroult process, said structure comprises an enclosure with vertical stiffeners (8) and horizontal bands (9) on the outside, and also several cradle structures (12) consisting of interconnected vertical structural elements (6) and horizontal beams (5), and at least one horizontal band (9) is provided with openings (16) arranged in the direction of the enclosure characterized by the fact that:

the openings (16) are represented by discrete cutouts on the lateral edge of the horizontal band (9) having connecting parts (18) between them, the band being connected to the housing by means of said connecting parts (18), in which the openings (16) face a wall of the enclosure and ensure sufficient ventilation throughout the enclosure, based on the upward draft, the openings (16) being wide and deep enough to reduce the presence of the horizontal band (9) with respect to ventilation , and vertical fins (17 ') passing through corresponding openings (16') are arranged on the outside of the housing.

2. Cathode structure, according to claim 1, characterized by the fact that the openings (16) are semi-circular or semi-elliptical or polygonal.

3. Cathode structure according to claim 1, characterized by the fact that a support band (10) is arranged outside the horizontal band (9).

4. Cathode structure according to claim 3, characterized by the fact that the orientation plane of the support flange (10) is vertical.

5. Cathode structure, according to claim 3, in particular its extreme wall construction, characterized by the fact that

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2/2 that the support flange (10) is connected to vertical structural elements (6 ”” ”) of a cradle (12” ””) near the end where the support flange (10) is arranged.

6. Cathode structure according to claim 3, characterized by the fact that the bottom part of the vertical stiffeners (8) is connected with an extension of the bottom plate of the housing.

7. Cathode structure according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the structural elements are made of steel materials.

8. Cathode structure according to claim 7, characterized by the fact that said elements are connected to each other by means of welding.

9. Cathode structure, according to claim 1, characterized by the fact that it has two horizontal bands (9).