BR112017013384B1 - Método para reduzir a irregularidade do calço de metal e otimizar a estabilidade de mhd em uma célula de eletrólise do tipo hall-heroult, e, célula de eletrólise - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA REDUZIR A IRREGULARIDADE DO CALÇO DE METAL E OTIMIZAR A ESTABILIDADE DE MHD EM UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE DO TIPO HALL-HEROULT, E, CÉLULA DE ELETRÓLISE. Um método para otimizar a estabilidade em uma célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult onde a célula suspendeu ânodos pré-cozidos e um painel de cátodo. O painel compreende vários blocos catódicos ou seções de blocos catódicos. Um calço de metal e um banho eletrolítico estão localizados entre os referidos ânodos e o painel catódico. O campo de força que atua no calço de metal é calculado e monitorado em um modelo baseado em computador da célula, pelo que os trajetos de corrente locais e, correspondentemente, as forças locais no metal acima do painel de cátodo são modificadas influenciando seletivamente a distribuição atual em blocos catódicos individuais em seções de bloco no modelo baseado em computador. Pelo menos uma modificação é implementada na célula. A invenção também se refere a uma célula modificada correspondentemente.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método para reduzir a irregularidade do calço metálica e otimizar a estabilidade MHD (íman hidrodinâmico) em uma célula de eletrólise do tipo Hall-Heroult para produção de alumínio e uma célula modificada de forma correspondente.

[002] Para melhorar o rendimento de produção de células de eletrólise para a produção de alumínio, as células foram projetadas maiores e também com maior corrente de produção.

[003] À medida que o espaço ocupado do líquido (eletrólito e metal de alumínio) aumenta nas células, o equilíbrio dos campos magnéticos que influenciam o líquido condutor será mais crítico.

[004] À medida que a corrente de produção tende a aumentar mesmo acima de 400kA, o controle da forte influência dos campos magnéticos gerados a partir dos vários condutores e condutores de corrente elétrica em e ao redor da célula representará um desafio ao se projetar novas células e a construção de ânodo / cátodo bem como o sistema de barra de barramento deverá ser projetado cuidadosamente. Os campos magnéticos de qualquer potline vizinha (uma pluralidade de células em uma série) também se tornarão mais potentes com o aumento da corrente de produção (corrente de linha) e devem ser cuidadosamente considerados.

[005] De forma semelhante, quando as células existentes estão sintonizadas em relação a um aumento na corrente de produção, podem ocorrer vários desafios em relação à instabilidade do íman hidrodinâmico (MHD) no calço metálica das células. A instabilidade do MHD é entre outros fatores influenciada pelos campos de velocidade e também pelo erguimento de metal.

[006] Na técnica anterior, existem várias publicações relativas à otimização da forma do calço de metal e do fluxo de metal em células de eletrólise. Além disso, existem ferramentas de modelagem disponíveis para calcular campos de força e velocidade e também altura da camada de metal, bem como a estabilidade de MHD no calço metálica.

[007] Por exemplo, uma ferramenta de modelagem para calcular campos de força e velocidade, bem como altura da camada de metal, é descrita no seguinte artigo: “Revised benchmark problem for modeling of metal flow and metal heaving in reduction cells”, Hua, J., Droste, C, Einarsrud, KE, Rudshaug, M., Jorgensen, R., Giskeodegard, N.-H., TMS Light Metals 2014, p. 691-695.

[008] O documento de patente EP0371653B1 descreve uma disposição assimétrica de barramentos sob uma célula disposta transversalmente para melhorar o campo Bi na célula.

[009] No entanto, as modificações do campo castanho do sistema de barra de barramento de uma potline (linha de cubas) são bastante pesadas e podem ser necessárias interrupções de energia de todo o potenciômetro para fazer modificações.

[0010] De acordo com as patentes norueguesas anteriores N0139829 e NO140602, é vantajoso que a estabilidade celular MHD conduza mais corrente em um sistema de barra de barramento não simétrico em torno ou abaixo da extremidade curta da célula que está mais próxima da linha ou linhas vizinhas.

[0011] No entanto, o sistema de barra de barramento desigual configura forças no metal que empurram predominantemente o metal para longe das fileiras vizinhas e resultam em uma distribuição desigual do metal na célula e uma maior curvatura do calço de metal que também pode ser assimétrica onde o metal tende a alocar em uma extremidade da célula.

[0012] Uma maior curvatura do calço de metal ou uma irregularidade no calço de metal conduzirá a uma distribuição de banho desigual que conduzirá potencialmente a uma distribuição de óxido piorado.

[0013] Uma curvatura aumentada do calço de metal que também é assimétrica levará a um desgaste irregular de um único ânodo e, portanto, resultará em média maiores tocos de anodo gasto.

[0014] Uma distribuição assimétrica de metal (derivação vs. lado de duto da célula ou a montante ou a jusante) também pode resultar em perda desigual de calor devido à possível diferença nos coeficientes de transferência de calor entre o banho e o metal e a borda lateral.

[0015] Existem também várias publicações relativas a métodos para influenciar a distribuição atual em um bloco catódico e o painel de cátodo correspondente. A modificação pode referir-se à condutividade do material de bloco catódico, a barra coletora ou a conexão elétrica entre o bloco catódico e a barra coletora, isto é, o conjunto de bloco catódico e barra coletora.

[0016] Comumente isso pode ser feito de várias formas: i) A qualidade do bloco catódico, isto é, a condutividade elétrica do corpo à base de carbono pode variar ao longo do comprimento do corpo, comumente com maior condutividade em direção ao centro da célula ou ser modificada como um todo, ii) barras coletoras de cátodo com condutividade melhorada, por exemplo, por meio de insertos de Cu iii) dimensão da barra coletora de cátodo (aumento de seção transversal) para reduzir a queda de tensão iv) vários métodos para isolar eletricamente a barra catódica do bloco catódico à base de carbono; v) condutividade elétrica reduzida no bloco catódico modificado.

[0017] Com a utilização convencional destes métodos, provou-se ser difícil, em alguns casos, reduzir a curvatura do metal ou otimizar o fluxo de metal sem sacrificar a estabilidade de MHD e vice-versa.

[0018] O documento de patente WO2008 / 062318 descreve a utilização de uma barra complementar a uma barra coletora, em que a referida barra complementar, preferivelmente de cobre, apresenta uma condutividade elétrica maior do que a da barra coletora de ferrosa. A referida barra coletora e a barra complementar são preferivelmente isoladas eletricamente do bloco catódico nas regiões de extremidade do bloco. Por esta solução, é possível reduzir a queda de tensão do cátodo e também reduzir as perdas de calor para o exterior da célula.

[0019] O documento de patente US 6,231, 745 descreve a utilização de insertos de cobre em barras coletoras e como isso pode ser aplicado para redirecionar a corrente em uma célula Hall-Heroult a fim de reduzir ou eliminar ineficiências atribuíveis a correntes não uniformes e / ou horizontais. As modificações são feitas de forma simétrica ao longo de um eixo longo central da célula.

[0020] Outros exemplos de uma abordagem basicamente simétrica para modificar células de eletrólise são:

[0021] Documentos de patente WO 2013/016930 A1, CN 201 162052 Y, US 33857778 A.

[0022] Documento de patente US 378731 1 A descreve uma abordagem simétrica por etapas.

[0023] Documento de patente EP0016728 A1 descreve uma abordagem diagonal simétrica.

[0024] Comumente, esses métodos podem confiar no “olhar de um perito”, onde são feitas modificações em certas áreas, por exemplo, onde a concentração de barramentos é alta ou para modificar a extração de corrente através do cátodo de maneira mais vertical.

[0025] As células convencionais são relocadas periodicamente, digamos cada 5-7 anos. Durante esta operação, os elementos catódicos, como os blocos catódicos, inclusive suas barras coletoras são todos retirados e renovados. Este é um trabalho de manutenção bastante oneroso que é feito no final da “vida útil” da célula.

[0026] Se os conjuntos de blocos catódicos em certas posições selecionadas no painel catódico forem modificados por um método meramente teste e erro (trial e fail) em escala total, isso ficaria associado ao risco de um realinhamento mais frequente e os custos correspondentes.

[0027] Com a presente invenção, é possível determinar como modificar de forma seletiva a condutividade eléctrica de conjuntos de blocos catódicos singulares ou plurais ou conjuntos de seções de blocos catódicos para reduzir as desvantagens acima mencionadas.

[0028] Isto é feito estabelecendo um modelo da célula de eletrólise real no programa de modelagem baseado em computador onde cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é representado. O programa de modelagem é capaz de identificar qual conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico que preferivelmente deve ser modificado. Pelo menos uma das modificações é implementada na célula alterando seletivamente a distribuição de corrente em conjuntos de blocos catódicos individuais ou em conjuntos de seção de bloco catódico, de modo que os trajetos de corrente locais e, em correspondência, as forças locais no metal acima do painel de cátodo sejam modificadas a fim de melhorar a irregularidade do calço de metal e a estabilidade global da MHD da célula.

[0029] Estas e outras vantagens podem ser conseguidas com a presente invenção tal como definido pelas reivindicações anexas.

[0030] A seguir, a invenção será explicada adicionalmente por exemplos e figuras onde; a figura 1 descreve uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise, a figura 2 descreve trajetos de corrente típicos em um conjunto de bloco catódico normal, a afigura 3 descreve trajetos de corrente em um conjunto de bloco catódico modificado, a figura 4 descreve distribuição de corrente em uma célula de eletrólise com um conjunto geral de cátodo normal, a figura 5 descreve a distribuição de corrente em uma célula de eletrólise com um conjunto geral de cátodo modificado, a figura 6 descreve componentes de força (direção x) em metal devido ao campo magnético na direção z para uma célula normal, a figura 7 descreve componentes de força (direção em x) em metal devido ao campo magnético na direção z para uma célula modificada seletivamente, a figura 8 descreve alturas de metal modeladas para uma célula normal, a figura 9 descreve alturas de metal modeladas para uma célula modificada, a figura 10 descreve alturas metálicas medidas para uma célula normal, a figura 11 descreve alturas metálicas medidas para uma célula modificada, a figura 12 descreve um conjunto de bloco catódico com conexões de barra catódica, a figura 13 descreve uma vista em planta esquemática de uma célula de eletrólise com conjuntos de seção de bloco catódico modificados, a figura 14 descreve uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise com conjuntos de seção de bloco catódico modificados, a figura 15 descreve uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise com conjuntos de seção de bloco catódico modificados, a figura 16 descreve uma vista em planta esquemática de uma célula de eletrólise com conjuntos de seção de bloco catódico modificados.

[0031] Com relação a esta invenção, um bloco catódico a base de carbono com uma ou mais barras coletoras é designado conjunto de bloco catódico. O bloco pode consistir em duas seções de bloco catódico, em que cada seção inclui as barras catódicas. Cada seção, incluindo a (s) barra (s) de cátodo, é aqui definida como um conjunto de seção de bloco catódico.

[0032] Um conjunto de bloco catódico ou um conjunto de seção de bloco catódico, está conectado a um sistema de barra de barramento correspondente do sistema de energia através das suas conexões de barra catódica. Em certas modificações, as conexões da barra catódica podem ter maior ou menor condutividade elétrica.

[0033] Tais ligações de barras catódicas compreendem normalmente flexíveis de cobre. Em certas modificações, os flexíveis podem ter menos condutividade elétrica (maior resistência elétrica).

[0034] Em certas modificações, as conexões da barra catódica, incluindo a parte externa da barra catódica, apresenta uma condutividade elétrica melhorada, por exemplo, a parte externa é provida de um elemento adicional de um material com boa condutividade elétrica, como uma extensão à base de cobre.

[0035] Estas modificações serão explicadas adicionalmente com referência às figuras 12-16.

[0036] Como mostrado na figura 1 é descrita uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise, com dois lados longos e dois lados curtos e onde l-l indica um eixo central. O painel catódico pode consistir em vários blocos catódicos. Nesta figura simplificada, são mostrados oito blocos catódicos, estendendo-se entre os lados longos da célula. Além disso, um conjunto de bloco catódico geralmente compreende pelo menos um bloco ou corpo a base de carbono com uma ou mais barras coletoras metálicas embutidas no mesmo.

[0037] Como ponto de partida, os blocos catódicos individuais podem ser divididos em duas seções de bloco catódico ao longo do eixo central l-1, como indicado na figura nas posições 1’, 1”; 2’, 2”; 3’, 3”; 4’, 4”; 5’, 5”; 6’, 6”; 7’, 7” e 8’, 8”. As seções de bloco catódico de 1’, 1” e até 8’, 8” podem ser simétricas no sentido de condutividade elétrica em relação ao eixo central l-l, indicado pela linha tracejada e quebrada na figura 1. Assim, nesse contexto, o eixo central l-l representará um eixo de simetria em relação à condutividade elétrica de todos os blocos catódicos.

[0038] Na modalidade mostrada, os blocos listrados são conjuntos de blocos catódicos não modificados com um trajeto de corrente característico como na figura 2, enquanto os blocos brancos são conjuntos de blocos catódicos modificados com um trajeto de corrente característico (menos correntes horizontais) como mostrado na figura 3.

[0039] Além disso na figura 1, é mostrada a direção do eixo x e eixo y em um sistema de coordenadas. O eixo z não é mostrado, mas está apontando para fora do plano de papel, que é padrão neste tipo de visualização.

[0040] No conjunto de seção de bloco catódico não modificado 2”, os trajetos de corrente na seção transversal B-B são monitorados na figura 2 e no conjunto de seção de bloco catódico modificado 6” os trajetos de corrente na seção transversal A-A são monitorados na figura 3

[0041] Na Figura 2, são descritos trajetos de corrente típicos de um conjunto de seção de bloco catódico normal, não modificado, visto no conjunto de seção de bloco catódico 2” e seção transversal BB na figura 1. Isto ilustra que os trajetos de corrente no plano zy se afastam ao longo do eixo y, do eixo central II indo em direção ao lado longo da célula na direção de y. Uma vez que z aqui está disposta no plano vertical ao longo do eixo central II, um circuito semelhante, com simetria espelhada, pode estar presente em um conjunto 2’de secção de bloco catódico correspondente não modificado.

[0042] Na figura 3 são descritos trajetos de corrente em um conjunto de seção de bloco catódico modificado, conforme descrito no conjunto de seção de bloco catódico 6”e seção transversal AA na figura 1. Os trajetos de corrente são mais inclinados na direção vertical e, assim, os componentes de corrente horizontal são reduzidos. Semelhante ao do conjunto de seção de bloco catódico 2”, trajetos de corrente simétricos similares de espelho podem estar presentes no conjunto de seção de bloco catódico 6’, dado que isso apresenta uma modificação semelhante à do conjunto de seção de bloco catódico 6”.

[0043] Como mostrado na Fig. 4 é descrito um exemplo de uma distribuição de corrente normal em uma célula de estado da técnica anterior.

[0044] A figura 5 descreve a distribuição de corrente depois de os catodos individuais no painel catódico terem sido modificados seletivamente, de acordo com a figura1.

[0045] Como mostrado na figura 6 são descritos componentes de força (Fax) em metal devido ao campo magnético na direção z para uma célula normal.

[0046] Na figura 7 os componentes de força correspondentes são descritos para uma célula modificada seletivamente de acordo com a figura 1. Pode-se ver claramente que os componentes de força são mais baixos na região da qual a distribuição da corrente do cátodo é modificada pela redução dos componentes da corrente horizontal.

[0047] Como mostrado na figura 8, as alturas de metal modeladas são descritas para uma célula normal.

[0048] De modo correspondente, a figura 9 descreve as alturas de metal modeladas para uma célula modificada de acordo com a da figura 1.

[0049] A variação da altura do metal é consideravelmente maior para a célula não modificada com a altura mais baixa no lado direito, sendo consideravelmente menor do que no lado esquerdo. Para a célula modificada, o erguimento de metal total é menor e o metal está mais uniformemente distribuído entre os lados esquerdo e direito da célula.

[0050] Como mostrado na figura 10, são descritas alturas de metal medidas para células normais. A posição y dos pontos de medição a montante é dada pelo plano médio entre a extremidade inferior da célula e o centro da célula (l-l) na figura 1, conforme indicado pela linha fina pontilhada US (Upstream). A posição y dos pontos de medição a jusante é dada pelo plano médio entre a extremidade inferior da célula e o centro da célula (l-l) na figura 1, conforme indicado pela linha fina pontilhada marcada DS (Downstream). A posição x para todos os pontos de medição aumenta monotonicamente a partir dos pontos de medição 1 a 5 do lado esquerdo da célula para o lado direito da célula. A célula real medida não tem o mesmo conjunto de bloco catódico como mostrado na figura 1.

[0051] De modo correspondente, o mesmo é mostrado para células modificadas na figura 11. Além de um erguimento geral reduzido para o caso modificado, os resultados mostram uma distribuição mais uniforme do metal entre o lado esquerdo e direito da célula.

[0052] As seguintes modificações aumentarão a condutividade elétrica no conjunto do bloco catódico, veja também a figura 12: CBS: seção de bloco catódico CB: bloco catódico CCB: barra coletora de cátodo CBSA: conjunto de seção de bloco catódico CBA: conjunto de bloco catódico F: Flexível A: Flexível com seção transversal reduzida ou similar B: extensão de Cu ou similar BUS: Conexão de barramento i) A qualidade do bloco catódico, isto é, a condutividade elétrica do corpo à base de carbono pode variar ao longo do comprimento do corpo, comumente com maior condutividade em direção ao centro da célula ou ser modificada como um todo, ii) barras coletoras de cátodo com condutividade melhorada, por exemplo por meio de insertos de Cu iii) dimensão da barra do coletor de cátodo (aumento da seção transversal) para reduzir a queda de tensão.

[0053] As seguintes modificações irão diminuir a condutividade elétrica no conjunto do bloco catódico: iv) vários métodos para isolar eletricamente a barra catódica em relação ao bloco catódico à base de carbono, v) condutividade elétrica reduzida no bloco catódico modificado.

[0054] Preferivelmente a condutividade elétrica do conjunto do bloco catódico modificado e a sua ligação correspondente da barra catódica ao sistema de barramento é mantida sem modificação como um todo.

[0055] A condutividade elétrica da conexão da barra catódica pode ser reduzida por: a) redução da seção transversal do flexível de cobre ou similar

[0056] A condutividade elétrica da conexão da barra catódica pode ser aumentada por: b) adição de uma extensão de cobre ou similar.

[0057] Ao implementar as modificações na célula, é preferido manter constante a resistividade total do conjunto do bloco catódico com a (s) conexão (s) da barra coletora. Uma alternativa é modificar as conexões da barra coletora nas posições não modificadas para ter a mesma resistência em todas as posições do painel catódico.

[0058] Por exemplo, uma resistividade de barra coletora de cátodo reduzida (método ii ou iii) em blocos selecionados resultará em componentes de corrente horizontal reduzida (iy) na zona de metal. A redução da resistividade da barra do coletor de cátodo pode ser compensada pelo aumento da resistividade da conexão correspondente da barra catódica, aumentando a resistividade dos flexíveis (seção transversal reduzida) que conecta o sistema de barra de barramento. Alternativamente, as conexões da barra catódica para o resto dos conjuntos de blocos catódicos podem ser modificadas com melhor condutividade elétrica, correspondente à da modificada.

[0059] Com referência à figura 13 é descrita uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise semelhante à da figura 1 em que a condutividade elétrica dos conjuntos de seção de bloco catódico na posição 1”, 2” e 3”é aumentada de acordo com o método I, ii e iii, respectivamente, e onde os flexíveis têm uma condutividade elétrica reduzida de acordo com o método a para modificação da conexão de barra catódica. O resto das posições não está modificado.

[0060] Com referência à figura 14 são descritas as mesmas modificações da condutividade elétrica dos conjuntos de seção de bloco catódico na posição 1”, 2” e 3”como na figura 13, mas aqui a condutividade elétrica das conexões da barra catódica é modificada de acordo com o método b (aumentado) em todas as posições, exceto posições 1”2” e 3”.

[0061] Com referência à figura 15 é descrita uma vista de cima esquemática de uma célula de eletrólise semelhante à da figura 1 em que a condutividade elétrica dos conjuntos de seção de bloco catódico nas posições 4”e 5” é diminuída de acordo com o método iv e v, respectivamente, em que a ligação da barra catódica é modificada de acordo com o método b. O resto das posições não está modificado.

[0062] Com referência à figura 16 é descrita as mesmas modificações da condutividade elétrica dos conjuntos de seção de bloco catódico nas posições 4”e 5” como na figura 15, mas aqui a condutividade elétrica das conexões da barra catódica é modificada de acordo com o método a (diminuído) em todas as posições exceto as posições 4”e 5”.

[0063] Uma redução geral do componente de corrente horizontal (iy) na zona de metal reduzirá, em geral, o erguimento de metal. O componente atual é multiplicado (produto cruzado) com o campo magnético vertical Bz e, portanto, é responsável pelo campo de força horizontal Fx que atua no metal ao longo da extensão da célula, que está empurrando metal para o centro da célula. Ao reduzir os componentes de força em um ou vários conjuntos de blocos catódicos selecionados, é possível modificar a distribuição de força na célula e, consequentemente, distribuir de novo a distribuição de metal na célula.

[0064] Em algumas modificações, uma redução na seção transversal flexível do cátodo é ajustada para manter constante a resistividade no conjunto do cátodo. Um método alternativo para atingir o mesmo resultado é aumentar o comprimento do isolamento elétrico entre a barra do coletor de cátodo e o bloco catódico.

[0065] De acordo com este exemplo, a estabilidade do metal e a estabilidade MHD para todas as modificações possíveis são calculadas, mas com apenas uma modificação para cada cálculo. Os cálculos são assistidos pelo estabelecimento de um modelo da célula de eletrólise real no programa de modelagem baseado em computador onde cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é representado. O programa de modelagem é capaz de identificar qual conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico que preferivelmente deve ser modificado. Em seguida, a modificação mais promissora (-s) deve ser implementada na célula. A célula pode ser construída em campo verde com a modificação (-s) ou campo marrom como parte da manutenção normal do realinhamento.

[0066] As etapas mais importantes são:

[0067] • estabelecer um modelo representativo para uma configuração de cátodo normal para todas as posições de cátodo. O número de conjuntos de blocos catódicos ou conjuntos de seção de bloco catódico e a configuração correspondente de barras catódicas devem ser definidos.

[0068] A seleção das barras catódicas a serem modificadas na operação de modelagem baseada em computador é realizada de acordo com as seguintes etapas: • iniciar com uma configuração de cátodo normal para todas as posições de cátodo 1-n, sendo o número n o número de blocos catódicos ou seções de bloco catódico, • o projeto correspondente de barras catódicas deve ser definido, por exemplo, sendo duas barras para um bloco catódico típico, • modificar a barra catódica 1 na posição 1 com resistividade de barra catódica reduzida e, opcionalmente, um aumento correspondente na resistividade flexível de cátodo para alcançar a mesma resistividade geral como um bloco catódico normal ou seção de bloco catódico, • calcular o erguimento de metal e a estabilidade de MHD e armazenar os resultados, • iniciar novamente com uma configuração de cátodo normal para todas as posições de cátodo restantes 2-n, • modificar a barra catódica 2 na posição 1 com resistividade de barra catódica reduzida e, opcionalmente, um aumento correspondente na resistividade flexível de cátodo para alcançar a mesma resistividade geral como um bloco catódico normal ou seção de bloco catódico, • calcular a elevação de metal e a estabilidade de MHD e armazenar os resultados, • repetir as etapas acima para todas as barras e posições de cátodo, os resultados obtidos são então utilizados para encontrar as combinações promissoras de blocos catódicos modificados e não modificados, • as combinações promissoras são posteriormente testadas calculando o erguimento do metal e a estabilidade do MHD, • posteriormente, pelo menos uma modificação é implementada na célula de produção.

[0069] A seleção das barras catódicas a serem modificadas também pode ser, em uma alternativa, baseada no estudo dos componentes de força e calculado o erguimento de metal resultante e a estabilidade do MHD em vários casos selecionados (teste e erro).

[0070] Com base nos resultados obtidos na descrição detalhada, é fornecida uma visão geral do erguimento de metal e da estabilidade de MHD para cada barra catódica modificada e, opcionalmente, o flexível é produzido. A visão geral é então utilizada para analisar quais barras catódicas que são vantajosas para modificação com relação à redução no erguimento de metal e na estabilidade MHD melhorada.

[0071] Com base na análise acima, alguns modelos que consistem em pelo menos uma (s) modificação (ões) de barra catódica (com modificação (ões) de flexível (s) correspondente (s) é (são) modelados e calculados.

[0072] Com o baixo nível de metal, com a distribuição uniforme do calço de metal na célula e a estabilidade MHD como critério de seleção, o melhor projeto pode então ser escolhido.

[0073] No entanto, todas as formas comuns de modificação da condutividade elétrica e, consequentemente, da distribuição de corrente de conjuntos de blocos catódicos ou conjuntos de seção de bloco catódico como mencionado anteriormente, podem, em princípio, ser aplicadas.

[0074] O método pode ser aplicado para conjuntos de blocos catódicos ou conjuntos de seção de bloco catódico compreendendo uma, duas ou mais barras catódicas.

[0075] De acordo com os cálculos do modelo com ferramentas de modelação apropriadas, o isolamento da barra coletora em cátodos selecionados (configuração assimétrica) melhora claramente a taxa de instabilidade e de instabilidade do metal, reduzindo as forças que empurram o excesso de metal para um lado da célula. São esperadas melhorias na operação de célula.

[0076] Ao estender o isolamento da barra coletora em todas as posições, observa-se uma redução bastante grande no erguimento. Na verdade, aumentando esse isolamento de 150 mm para 450 em toda a célula, o erguimento é menor do que qualquer outra solução e a assimetria também é reduzida consideravelmente. No entanto, o aumento da queda de tensão devido ao maior comprimento de isolamento deve ser compensado, por exemplo, pelo uso de insertos de Cu. A compensação do aumento da queda de tensão do cátodo exigirá mais Cu do que os outros desenhos assimétricos, pois Cu é necessário em todas as posições e pode ser uma solução mais cara. [0077] Como mencionado acima, deve entender-se que a modelagem da modificação da célula descrita na modalidade acima é, em princípio, baseada em modificações da resistividade da barra coletora de cátodo em relação ao bloco catódico visando a simplificação dos motivos. Deve entender-se que as modificações finais em uma célula operacional podem, de fato, ser baseadas em outras formas de modificar a condutividade elétrica dos blocos catódicos ou seções de blocos catódicos como mencionado anteriormente como método i-v e métodos de conexão da barra catódica a -b.

Claims (22)

1. Método para reduzir a irregularidade do calço de metal e otimizar a estabilidade de MHD em uma célula de eletrólise do tipo Hall- Heroult para produção de alumínio, a célula possuindo anodos de carbono pré-cozidos suspensos e um painel de cátodo compreendendo vários blocos catódicos à base de carbono com uma ou mais barras coletoras, formando assim um conjunto de bloco catódico, em que o referido conjunto de bloco catódico pode ser constituído por várias seções de bloco catódico individuais que, em conjunto com suas barras coletoras de cátodo, formam conjuntos de seção de bloco catódico, a célula ainda possuindo um calço de metal que fica sobre o painel de cátodo e um banho eletrolítico entre a referido calço de metal e os ânodos, onde a desvantagem do calço de metal é detectada por medições ou cálculos, caracterizado pelo fato de que: um modelo da célula de eletrólise é estabelecido em um programa de modelagem baseado em computador onde cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é representado, sendo o programa de modelagem capaz de identificar qual conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico que preferivelmente deve ser modificado, onde pelo menos uma das modificações é implementada na célula alterando seletivamente a distribuição de corrente elétrica em conjuntos de blocos catódicos individuais ou em conjuntos de seção de bloco catódico, de modo que os trajetos de corrente elétrica locais e, correspondentemente, as forças locais no metal acima do painel de cátodo sejam modificados para reduzir a irregularidade do calço de metal e otimizar a estabilidade global da MHD da célula.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade total de corrente elétrica extraída por cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é mantida constante pela referida modificação.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade total de corrente elétrica extraída por cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é mantida constante pela referida modificação, em que as conexões de barra catódica (a, b) a um sistema de barra de barramento são modificadas.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o bloco catódico ou a qualidade da seção de bloco catódico é modificado pelo fato de a condutividade elétrica do bloco à base de carbono aumentar em direção ao centro.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a condutividade elétrica das barras coletoras de cátodo é aumentada, por exemplo, pela utilização seletiva de insertos de Cu.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dimensão das barras coletoras de cátodo é aumentada para reduzir a queda de tensão.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a condutividade elétrica da seção de bloco ou de bloco baseada em carbono é reduzida isolando parcialmente eletricamente as barras coletoras de cátodos do bloco a base de carbono.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a condutividade elétrica do bloco de carbono no conjunto do bloco catódico modificado é reduzida.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de que no conjunto do bloco catódico modificado, a condutibilidade elétrica da conexão da barra do cátodo é reduzida.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de que no conjunto de blocos catódicos não modificados, é aumentada a condutividade eléctrica da conexão de barra catódica.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que no conjunto dos blocos catódicos modificados, é aumentada a condutividade elétrica da conexão da barra do cátodo.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que no conjunto de blocos catódicos não modificados, a condutividade elétrica da conexão de barra de cátodo é reduzida.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência do painel de cátodo é mantida sem modificação como um todo aplicando combinações de um ou mais métodos no grupo i-v e ambos a-b, em que o grupo i-v compreende: i) modificar a qualidade do bloco catódico; ii) melhorar a condutividade das barras coletoras de cátodo; iii) aumento das dimensões da barra coletora de cátodo para reduzir a queda de tensão; iv) métodos para isolar eletricamente as barras coletoras de cátodo do bloco catódico à base de carbono; v) reduzir a condutividade elétrica no bloco catódico modificado; e em que ambos a-b compreendem: a) reduzir a seção transversal do flexível de cobre ou similar; b) adicionar uma extensão de cobre ou similar.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seleção das barras catódicas a serem modificadas na operação de modelagem baseada em computador é realizada de acordo com as seguintes etapas: • início com uma configuração de cátodo normal para todas as posições de cátodo 1-n, sendo o número n o número de blocos catódicos ou seções de bloco catódico, • a configuração correspondente das barras catódicas deve ser definida, por exemplo, sendo duas barras para um bloco catódico típico, • modificação da barra catódica 1 na posição 1 com resistividade de barra catódica reduzida e, opcionalmente, um aumento correspondente na resistividade flexível de cátodo para atingir a mesma resistividade geral como um bloco catódico normal ou seção de bloco catódico, • cálculo do erguimento de metal e da estabilidade de MHD e armazenamento dos resultados, • novo início com uma configuração de cátodo normal para todas as posições de cátodo restantes 2-n, • modificação da barra catódica 2 na posição 1 com resistividade reduzida da barra catódica e opcionalmente um aumento correspondente na resistividade flexível do cátodo para alcançar a mesma resistividade geral como um bloco catódico normal ou seção de bloco do cátodo, cálculo do erguimento de metal e da estabilidade do MHD e armazenamento dos resultados, • repetição das etapas acima para todas as barras e posições de cátodo, • os resultados obtidos são então utilizados para encontrar as combinações promissoras de blocos catódicos modificados e não modificados, • as combinações promissoras são posteriormente testadas pelo cálculo do erguimento de metal e da estabilidade do MHD. • posteriormente, pelo menos uma modificação é implementada na célula de produção.

15. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que um modelo simplificado da célula compreende vários conjuntos de blocos catódicos que representam uma posição.

16. Célula de eletrólise para a produção de alumínio do tipo Hall-Heroult com irregularidade no calço de metal reduzida e estabilidade MHD otimizada, modificada como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, possuindo a célula ânodos de carbono pré-cozidos suspensos e um painel de cátodo compreendendo vários blocos catódicos a base de carbono ou seções de blocos catódicos à base de carbono com barras coletoras de cátodo e além de um calço de metal e um banho eletrolítico entre os referidos ânodos e o painel de cátodo, caracterizada pelo fato de que: os trajetos de corrente elétrica locais e, correspondentemente, as forças locais no metal acima do painel de cátodo são modificados onde a distribuição de corrente elétrica (menos componentes de correntes horizontais) em pelo menos um bloco catódico individual ou seção de bloco catódico é modificada e difere das outras.

17. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a condutividade elétrica de pelo menos uma seção de bloco ou bloco com base em carbono é diferente da dos blocos não modificados.

18. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma seção de bloco catódico ou bloco catódico é modificada, por exemplo, pelo grau de grafitização, na medida em que a condutividade elétrica do bloco à base de carbono varia ao longo do comprimento do bloco ou seção de bloco.

19. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a condutividade elétrica das barras coletoras de cátodo é melhorada, por exemplo, por meio de uso seletivo de insertos de Cu.

20. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que as dimensões das barras coletoras de cátodo serem maiores em pelo menos um bloco catódico ou uma seção de bloco catódico.

21. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que pelo menos um bloco catódico ou uma seção de bloco catódico apresenta barras coletoras que são isoladas eletricamente de uma maneira diferente em relação ao bloco com base em carbono ou à seção de bloco à base de carbono do que o dos demais blocos catódicos ou seções de bloco catódico.

22. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a quantidade total de corrente elétrica extraída por cada conjunto de bloco catódico ou conjunto de seção de bloco catódico é mantida constante pela referida modificação, em que as conexões de barra catódica (a, b) ao sistema de barra de barramento são modificadas.

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