BR112020015021A2 - Elemento catódico, e, célula de eletrólise do tipo hall-héroult. - Google Patents

Abstract

elemento catódico, e, célula de eletrólise do tipo hall-héroult. um elemento catódico (1?) para uma célula de eletrólise do tipo hall-héroult para produzir alumínio compreende um corpo (4) de material carbonáceo calcinado conectado com o lado superior de uma placa coletora metálica (2). um espaço entre o dito corpo carbonáceo e a placa coletora sendo preenchido com um material condutor elétrico que preferencialmente compreende partículas condutoras. a placa coletora (2) adicionalmente pode compreender pelo menos uma saída horizontal (5, 5?) em pelo menos um lado e/ou pelo menos uma saída de corrente metálica vertical (7) conectada ao lado inferior da placa coletora (2). em uma modalidade, a placa coletora está dividida em duas seções (20; 20). a invenção também se refere a uma célula do tipo hall-héroult que utiliza tais elementos catódicos (1).

Description

1 / 17 ELEMENTO CATÓDICO, E, CÉLULA DE ELETRÓLISE DO TIPO HALL-HÉROULT

[001] A presente invenção se refere a elementos catódicos para uma célula Hall-Héroult para produção de alumínio e uma célula desse tipo que tem tais elementos instalados.

[002] Comumente, os elementos catódicos para células de produção de alumínio são feitos de blocos catódicos pré-cozidos ou corpos de um material carbonáceo calcinado, os corpos tendo ranhuras ou fendas pré- formadas no fundo dos mesmos que permitem que cabos de corrente como barras coletoras sejam inseridas nos mesmos e reforçadas aos mesmos. O espaço entre a parede das fendas e as barras pode ser comumente preenchido com ferro fundido derretido ou uma pasta de contato ou cola para a fixação das ditas barras coletoras. Vários elementos catódicos são instalados na célula e formam, juntos, o cátodo.

[003] De acordo com o documento WO2009/099335A1 da requerente, são aplicadas partículas condutoras elétricas como material de preenchimento entre o condutor de corrente elétrica e o corpo carbonáceo do material carbonáceo calcinado em um eletrodo. O uso de partículas condutoras elétricas sem uma matriz de endurecimento facilita a mobilidade das partículas condutoras para a corrente elétrica quando a geometria muda com o tempo, por exemplo, devido à expansão térmica. Observou-se que a resistência elétrica em um elemento catódico em que essas partículas são aplicadas é aprimorada com referência à pasta de contato comumente usada ou ao ferro fundido derretido. Na figura 9 do dito documento WO, é descrita uma vista final de um bloco catódico com rebaixos ou fendas na sua parte inferior. Existem elementos coletores dispostos nas fendas, em que o espaço restante é preenchido com partículas condutoras elétricas. Os elementos coletores são fixados a uma placa coletora que coleta a corrente e assegura ainda mais a estabilidade do elemento catódico e fornece área de contato

2 / 17 adicional.

[004] A presente invenção se refere a elementos catódicos com base em placas coletoras com corpos carbonáceos em que estão incluídas vários recursos inovadores e inventivos na sua construção. Alguns elementos principais estão relacionados a; - saídas de corrente horizontais (HO) - saída(s) de corrente vertical(is) (VO) - elementos condutores e sua extensão em combinação com o uso de material de isolamento elétrico e chapa protetora - fixação de elementos condutores - arranjo das saídas de corrente em relação às placas coletoras dos elementos catódicos.

[005] De acordo com um recurso característico da reivindicação 1, a placa coletora pode compreender pelo menos uma saída de corrente horizontal em pelo menos um lado e/ou pelo menos uma saída de corrente metálica vertical conectada à placa coletora.

[006] Vantajosamente, a placa coletora pode ser plana sem elementos coletores salientes e o corpo carbonáceo pode ser sem fendas correspondentes, o material de reforço simplesmente forma uma camada de material condutor elétrico, que pode compreender partículas condutoras elétricas (0 a 100% em peso), dispostas em um espaço entre a placa coletora e o corpo carbonáceo.

[007] Em uma modalidade da invenção, o corpo carbonáceo é reforçado à placa coletora de uma maneira em que a parte da extremidade externa do corpo carbonáceo seja eletricamente isolada a partir da placa coletora, a uma distância de até 450 mm a partir da extremidade da mesma e para dentro.

[008] Em outra modalidade, o corpo carbonáceo é reforçado à placa coletora de uma maneira em que as partes das extremidades externas do corpo

3 / 17 carbonáceo sejam eletricamente isoladas a partir da placa coletora em diferentes comprimentos nas duas extremidades da placa (configuração assimétrica).

[009] Em uma modalidade, pelo menos um termopar (TC) é inserido em um componente metálico dentro ou abaixo da placa coletora para ser capaz de monitorar a temperatura naquele local.

[0010] Em outra modalidade, a pelo menos uma saída de corrente horizontal é integrada com a placa coletora.

[0011] Em uma modalidade adicional, a mesma é integrada em uma fenda na dita placa coletora.

[0012] Em outra modalidade, a saída de corrente horizontal compreende uma parte do condutor de corrente integrada com a placa coletora por uma fixação encaixada por prensa (batida) em um rebaixo da placa coletora que é complementar com uma parte correspondente do condutor.

[0013] Em uma modalidade, a parte do condutor de corrente integrada à placa coletora tem uma parte em formato de delta.

[0014] Em uma modalidade adicional, a mesma compreende pelo menos uma saída de corrente horizontal em cada extremidade sendo integrada com a placa coletora.

[0015] Em uma modalidade, a seção transversal ou o comprimento de inserção da saída de corrente horizontal em uma extremidade é diferente daquele da outra extremidade (assimétrica).

[0016] Em ainda outra modalidade, a saída de corrente compreende um condutor de cobre preferencialmente coberto por um material de chapa protetora.

[0017] Em uma modalidade, está disposta pelo menos uma saída de corrente vertical no lado oposto da placa coletora do que o corpo carbonáceo.

[0018] Existe uma modalidade em que a saída vertical compreende um soquete integrado com a placa coletora em que um condutor de corrente

4 / 17 em formato de haste é afixado ao soquete.

[0019] Em uma modalidade, o soquete pode ser de material metálico e soldado à placa coletora.

[0020] Em uma modalidade adicional, há um rebaixo interno em que uma parte superior do condutor de corrente tem um formato complementar com o dito rebaixo para fixação do dito condutor de corrente ao soquete.

[0021] Em uma modalidade, a fixação é uma fixação encaixada por prensa (batida).

[0022] Em outra modalidade, o soquete tem roscas internas em sua extremidade mais externa para receber uma luva com roscas externas complementares, em que a luva circunda o condutor de corrente e em que a extremidade da luva está contígua a um flange anular ou anel na haste da corrente para forçar a haste no soquete quando apertada.

[0023] Em ainda outra modalidade, existe um parafuso rosqueado na parte superior do soquete que se comunica com um orifício rosqueado.

[0024] Em uma modalidade, o condutor de corrente é produzido a partir de cobre ou uma liga do mesmo.

[0025] Em outra modalidade, pelo menos um elemento coletor metálico está disposto no lado superior de uma placa coletora metálica, em que o dito elemento coletor é incorporado em um rebaixo correspondente na parte inferior do corpo carbonáceo, sendo que o rebaixo é mais amplo do que o elemento coletor e é preenchido com um material condutor elétrico que compreende partículas condutoras.

[0026] Em outra modalidade, existem um ou mais elementos coletores, preferencialmente 3 a 7 sendo separados a uma distância de tipicamente 50 mm a 150 mm.

[0027] Em ainda outra modalidade, o(s) pelo menos elemento(s) coletor(es) é(são) do mesmo comprimento ou comprimento menor do que o corpo carbonáceo.

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[0028] De acordo com um recurso característico da reivindicação 23, uma célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult pode compreender vários elementos catódicos da invenção em que a célula é construída com vários elementos catódicos e em uma configuração apenas do mesmo tipo de elementos.

[0029] De acordo com outro recurso característico da reivindicação 24, uma célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult pode compreender vários elementos catódicos da invenção em que a célula é construída com vários elementos catódicos e em uma configuração de diferentes elementos.

[0030] Vantajosamente, a placa coletora pode ter de uma a cinco inserções de materiais com maior condutividade elétrica, como cobre.

[0031] Preferencialmente, a placa coletora pode ter saídas horizontais (HO) feitas a partir de aço ou cobre ou algum material condutor bom semelhante que se estende para cima do invólucro do cátodo para permitir uma conexão com os flexíveis do cátodo.

[0032] Vantajosamente, cada placa coletora pode ter nenhuma, uma ou duas HOs em cada extremidade e de acordo com um diferente aspecto, as HOs podem ser de seção transversal retangular ou redonda.

[0033] Preferencialmente, a HO pode ser inserida em uma fenda (ranhura) na placa de cima, que pode ser fechada com uma placa de aço soldada de cima, ou em espaço aberto a partir do lado da placa, preferencialmente quando uma seção transversal redonda é aplicada.

[0034] Vantajosamente, as HOs podem ser afixadas à placa por soldagem, encaixe por prensa mecânica, encaixe por prensa térmica, cones do tipo knock-in, roscas ou uma combinação desses para obter uma forte conexão mecânica e elétrica viável.

[0035] Preferencialmente, a HO pode ser afixada a uma inserção em formato de delta de material condutor bom, como cobre, para permitir uma baixa resistência ao fluxo de corrente.

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[0036] Vantajosamente, as HOs podem ser conectadas às flexões do cátodo por soldagem ou braçadeiras.

[0037] Preferencialmente, as HOs em ambos os lados da placa coletora podem ter seção transversal e profundidade de inserção diferentes na placa para permitir uma resistência elétrica específica em cada lado.

[0038] Vantajosamente, as HOs podem ser longas o suficiente para se estender para fora do invólucro do cátodo ou são curtas o suficiente para permitir uma colocação vertical do conjunto do cátodo no revestimento do cátodo.

[0039] Preferencialmente, existe uma abertura redonda ou retangular para cada HO no invólucro de aço.

[0040] Vantajosamente, essa abertura é vedada com uma armação de aço, um cabo de vedação e uma placa, que é fixada para pressionar o cabo de vedação, garantindo uma vedação firme entre invólucro e HO.

[0041] Preferencialmente, uma ou mais VOs podem ser afixadas a cada conjunto do cátodo a partir do lado inferior para conduzir corrente elétrica aos barramentos sob o invólucro do cátodo.

[0042] Vantajosamente, cada VO pode ser de aço ou cobre ou outro bom material condutor elétrico, e, de acordo com um outro aspecto, a seção transversal pode ser redonda ou retangular.

[0043] Preferencialmente, em uma situação em que o material da VO não é aço, então um soquete de aço de proteção na parte superior abaixo da placa pode ser aplicado para permitir uma fixação da VO com bom contato mecânico e elétrico e proteção do material condutor contra produtos químicos agressivos, ou a VO pode ser protegida por um tubo de aço que se estende para baixo ou próximo ao fundo do invólucro de aço.

[0044] Vantajosamente, a montagem da VO permite a pré-instalação na placa, por exemplo, por soldagem, ou pode ser montada após a placa ser instalada no revestimento.

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[0045] Preferencialmente, uma vedação como nas HOs pode ser aplicada nas VOs.

[0046] Vantajosamente, o espaço em torno das VOs pode ser preenchido com material refratário solto ou em pó após a vedação do invólucro inferior ser aplicada. Esse preenchimento pode ser aplicado a partir do lado antes do conjunto vizinho do cátodo ser instalado.

[0047] Preferencialmente, se o comprimento das HOs for muito longo para permitir uma colocação vertical reta do conjunto do cátodo, uma oscilação deve ser aplicada. Se houver VOs presentes, alguns tijolos refratários próximos ao centro do revestimento devem ser colocados depois da instalação da placa para permitir um deslocamento horizontal do conjunto.

[0048] Vantajosamente, a diferença na expansão térmica nas temperaturas de operação entre os conectores de cobre (HOs ou VOs) pode garantir alta pressão no contato com baixa resistência elétrica.

[0049] Preferencialmente, o elemento catódico com placa coletora pode tipicamente ter menos altura do que um projeto com barras coletoras tradicionais - quando a mesma altura para carbono é considerada - esse espaço extra em altura pode ser usado para isolamento inferior mais alto ou cavidade mais alta.

[0050] O projeto de cátodo atual mostrou ser muito vantajoso em relação à estabilidade magneto-hidrodinâmica da célula em que foi instalado, mostrou ter um ciclo de vida e uso de espaço aprimorados e em operação, também representa uma queda de tensão do cátodo baixa no que diz respeito a um projeto de cátodo convencional.

[0051] Essas e outras vantagens serão alcançadas pela invenção, conforme definido nas reivindicações anexas.

[0052] A presente invenção será a seguir descrita mais detalhadamente por figuras e exemplos em que; a figura 1 descreve em uma primeira modalidade um elemento

8 / 17 catódico dividido, observado em perspectiva, em que uma placa coletora é dividida em duas seções, a figura 2 descreve uma modalidade de um elemento catódico não dividido em uma vista em seção transversal, em que condutores horizontais se estendem em uma placa coletora em diferentes comprimentos e observados adicionalmente de um lado, sendo que o elemento tem uma saída de corrente vertical, a figura 3 descreve uma vista lateral superior do mesmo elemento catódico como mostrado na figura 2, a figura 4 descreve uma modalidade alternativa de um elemento catódico sem uma saída de corrente vertical, em que condutores horizontais se estendem na placa coletora em diferentes comprimentos, a figura 5 descreve em uma vista da parte lateral superior de uma placa coletora como na figura 1, mas a saída horizontal se estende a um condutor em formato de delta dentro da placa, a figura 6 descreve em uma vista ampliada uma seção transversal através do elemento catódico da figura 2, observado de uma extremidade, e descreve adicionalmente detalhes de uma saída de corrente vertical, a figura 7 descreve em uma vista ampliada uma modalidade alternativa da saída como descrito na figura 6, a figura 8 é um esboço principal mostrando, em uma vista em seção transversal, as partes principais de uma célula Hall-Héroult em que um elemento catódico correspondente ao mostrado na figura 2 é incluído.

[0053] A partir da figura 8, pode ser observada uma vista em seção transversal das partes principais de uma célula Hall-Héroult em que sua superestrutura inclui tremonhas de alumina/fluoreto, barras anódicas, barramentos e dispositivos de alimentação. Além disso, um par de ânodos parcialmente coberto por uma crosta é mergulhado em um banho líquido. Sob

9 / 17 o banho líquido, é mostrada uma camada de alumínio líquido. O cátodo está disposto abaixo do alumínio líquido. O cátodo compreende um corpo carbonáceo 4 disposto em uma placa coletora 2. Em cada extremidade da placa coletora estão dispostas saídas de corrente horizontais 5, 5’. Também é descrita uma saída vertical 7. Várias modalidades de elementos catódicos serão descritas em mais detalhes a seguir.

[0054] A figura 1 descreve um elemento catódico dividido 1 observado em perspectiva. Nessa modalidade, a placa coletora consiste em duas seções 20, 20’. Na modalidade descrita, as seções de placa coletora 20, 20’ podem ser idênticas ou não e serão descritas consequentemente.

[0055] A seção da placa coletora 20’ é provida nesse exemplo com seis elementos coletores, 30, 30’ 30’’, 30’’’, 30’’’’, 30’’’’’ que estão em contato elétrico com a seção da placa coletora 20’. Preferencialmente, essas partes são produzidas de uma qualidade de aço que podem facilmente ser soldadas, e preferencialmente as partes são soldadas juntas. Um bloco catódico pode ser reforçado nos elementos coletores, em uma maneira semelhante como descrito no documento WO2009/099335A1. A presente solução pode envolver partículas condutoras elétricas ou uma pasta de contato. O número de elementos coletores na placa coletora pode diferir de seis como mostrado, por exemplo, um a sete ou mesmo nenhum.

[0056] Em cada extremidade externa da seções de placa coletora 20; 20’, estão dispostas duas saídas de corrente horizontais 50, 51; 50’, 51’ respectivamente. As saídas de corrente horizontais podem ser produzidas de condutores de um material condutor bom como cobre ou liga de cobre e adicionalmente estando, pelo menos em suas extremidades de saída, coberto por um material em chapa 60, 61; 60’, 61’, preferencialmente produzido de um metal como aço. As saídas de corrente horizontais 50, 51; 50’, 51’ com seus condutores correspondentes podem ser integradas em fendas S, S’; S’’, S’’’ feitas nas seções correspondentes de placa coletora 20; 20’. Essa

10 / 17 integração pode ser baseada em tolerâncias encaixadas por prensa ou seções de placa pré-aquecidas para usar a expansão térmica para um ajuste apertado. Entretanto, qualquer fixação apropriada incluindo soldagem pode ser aplicada. O material condutor nas fendas pode ser coberto por uma placa de aço protetora no lado superior e inferior.

[0057] Além disso, próximo à borda dos lados curtos e longos das seções de placa coletora, pode ser disposto um cabo de vedação flexível ou placas de batente (não são mostradas) destinadas a facilitar o reforço da placa em um corpo carbonáceo por meio de partículas de metal eletricamente condutoras. Ao reforçar o bloco catódico na placa catódica, a parte externa do material carbonáceo mais próxima às saídas horizontais pode preferencialmente ser eletricamente isolada a partir da placa catódica, por exemplo, 100 mm e até 450 mm a partir da extremidade do bloco catódico e para dentro para evitar altas densidades de corrente na superfície superior do bloco catódico próximo às extremidades. O isolamento elétrico pode ser assimétrico em cada uma das extremidades e também diferir entre os elementos catódicos na célula.

[0058] Na figura 2, pode ser observada uma segunda modalidade de um elemento catódico ’ em uma vista em seção transversal observada de um lado, em que um corpo carbonáceo 4 está disposto em uma placa coletora 2 que não está dividida. Nessa modalidade, a placa coletora 2 tem elementos coletores, em que apenas um 3 é observado a partir do lado. Em cada extremidade da placa coletora 2 estão dispostas saídas de corrente horizontais 5, 5’. As saídas de corrente horizontais podem ser produzidas de um material de cobre e sendo cobertas por um material em chapa 6, 6’, preferencialmente produzido de um metal como aço. Também é brevemente descrita uma saída vertical 7, que será adicionalmente descrita com referência às figuras 6 e 7.

[0059] A seção transversal das saídas horizontais pode ser diferente em uma extremidade da placa versus a outra para compensar os diferentes

11 / 17 comprimentos de caminho de corrente elétrica dos barramentos condutores para a próxima célula, por exemplo, para células dispostas lado a lado em uma linha de células plurais. As saídas no lado a montante podem ter uma seção transversal maior - por uma largura ou altura maior ou ambas - para reduzir a resistência elétrica naquele lado da célula e, assim, equalizar a distribuição de corrente na parte superior da superfície do bloco catódico. Se os condutores das saídas horizontais tiverem um material condutor melhor do que a placa, eles podem ser aplicados com comprimento de inserção diferente em cada lado da placa quando apropriado.

[0060] A figura 3 descreve uma vista lateral superior do mesmo cátodo como mostrado na figura 2, com o corpo carbonáceo 4 colocado em uma placa coletora 2 com uma saída em cada lado 5, 5’ coberto pelo material em chapa 6, 6’. Além disso, é indicado um furo B na placa coletora para inserção de um termopar TC.

[0061] A modalidade mostrada na figura 4 se refere à mesma modalidade conforme mostrado na figura 2, entretanto sem uma saída vertical. Ela descreve um elemento catódico 1 em uma vista em seção transversal observada de um lado, em que um corpo carbonáceo 4 está disposto em uma placa coletora 2 que não está dividida, consultar abaixo. Nessa modalidade, a placa 2 tem elementos coletores, em que apenas um 3 é observado a partir do lado. Em cada extremidade da placa coletora 2 estão dispostas saídas de corrente horizontais 5, 5’. Os condutores das saídas de corrente horizontais podem ser produzidos de um material de cobre e serem cobertos por um material em chapa 6, 6’, preferencialmente produzido de um metal como aço. A linha divisória D no desenho indica que a extensão do elemento catódico pode ser variada, isto é, também o comprimento de intrusão dos condutores de corrente 5, 5’ na placa 2 pode variar dependendo do projeto real.

[0062] Os condutores de corrente podem em princípio ter uma seção

12 / 17 transversal redonda ou retangular e como uma alternativa estar fora de qualquer condutor de material de corrente elétrica adequado.

[0063] A figura 5 descreve parcialmente uma extremidade de uma placa coletora 2 ou similarmente uma seção da placa coletora que pode ter uma única saída de corrente horizontal 5 em sua extremidade que compreende um condutor elétrico em formato de triângulo ou delta 51 feito de cobre ou material condutor bom semelhante para garantir uma melhor distribuição das correntes que saem da placa 2 e entram no condutor 51 e adicionalmente para sua saída 5, e reduzindo a resistência elétrica. O condutor 51 pode ser inserido por encaixe por prensa em um rebaixo da placa 2 ou afixado ao mesmo por quaisquer meios apropriados. Em uma alternativa, o condutor pode ser fundido no rebaixo, por exemplo, por fusão de cobre, por exemplo. Caso exista uma extensão para além do rebaixo fora da placa, isso pode ser feito aplicando um molde apropriado ou semelhante.

[0064] A figura 6 descreve adicionalmente detalhes da saída de corrente vertical 7 como mostrado na figura 2 e representa uma vista de extremidade ampliada de uma seção transversal através de uma extremidade do cátodo da figura 2. Um corpo carbonáceo 4 está apoiado em uma placa coletora 2 que tem elementos coletores 3, 3’, 3’’, 3’’’, 3’’’’. O corpo carbonáceo tem rebaixos ou fendas 9, 9’, 9’’, 9’’’, 9’’’’ complementares com os ditos elementos coletores. O espaço restante entre os elementos coletores e as fendas é preenchido com material ou partículas condutoras elétricas. Os elementos coletores são, nessa modalidade, fixados a uma placa coletora metálica 2 que coleta a corrente e garante a estabilidade.

[0065] A saída vertical 7 compreende um soquete 10 integrado com a placa coletora 2 em que um condutor de corrente em formato de haste 11 pode ser afixado ao soquete 10. O condutor 11 pode ser feito de um material com boa condutividade elétrica como cobre. O soquete 10 pode ser feito de um material metálico como aço e soldado ou encaixado por prensa à placa

13 / 17 coletora 2. A saída vertical pode ser colocada no centro da placa ou assimétrica em direção a uma das saídas horizontais para aprimorar a situação do campo magnético ou para alterar a distribuição de corrente entre saídas horizontal e vertical em um maneira desejada.

[0066] Além disso, o soquete 10 tem um rebaixo interno 17’ em que uma parte superior 17 do condutor de corrente 11 tem um formato complementar com o dito rebaixo 17’ para fixação do dito condutor de corrente 11 ao soquete 10. A parte superior 17 do condutor de corrente 11 pode ser provida com roscas correspondentes às roscas correspondentes na parte superior do soquete 10. A fixação pode ser opcionalmente uma fixação encaixada por prensa (batida).

[0067] Além disso, em uma modalidade ou adicionalmente, consultar a figura 7, o soquete 10’ pode ter roscas internas 13’ em sua extremidade mais externa para receber uma luva 12’ com roscas externas complementares 16’, em que a luva circunda o condutor de corrente 11’ e em que a extremidade da luva está contígua a um flange anular ou anel 14’ na haste da corrente 11’ para forçar a haste 11’ no soquete 10’ quando apertada. O condutor de corrente 11’ é preferencialmente produzido de cobre ou uma liga do mesmo. A luva 12’ tanto serve para fixação quanto proteção contra reações de condutor 11’ com líquidos ou voláteis a partir do processo. Além disso, é descrito um furo B’ para inserção de um termopar TC’.

[0068] Como uma alternativa à rosca interna 13’ um parafuso rosqueado pode ser afixado dentro da parte superior do soquete (não mostrado) e o condutor 11’ é encaixado com um orifício rosqueado correspondente para fixar o condutor ao soquete (semelhante ao mostrado na figura 6). Uma conexão removível da saída pode ser necessária para permitir que um condutor de saída vertical seja afixado após o cátodo ser colocado com um movimento de oscilação na parte superior do revestimento inferior na célula durante a instalação.

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[0069] Vantajosamente, todo o conjunto com o corpo carbonáceo 4 e a placa coletora 2 são inclinados um pouco durante o procedimento de preenchimento das partículas, para permitir que as partículas preencham o rebaixo em uma maneira suave e completa. Além disso, alguma vibração pode ser aplicada à placa ou seções da placa para preenchimento homogêneo com as partículas.

[0070] Os rebaixos ou fendas 9 podem ser feitos em uma condição verde do corpo carbonáceo usando-se comumente técnicas ou em uma condição calcinada por equipamento de processo comumente disponível. A geometria das fendas deve encaixar nas placas.

[0071] Deve ser entendido que os sólidos ou partículas condutoras elétricas podem ser de qualquer metal apropriado, como aço, ferro, cobre, alumínio etc., ou ligas dos mesmos. Além disso, a forma dos sólidos pode ser esférica, oval ou elíptica, em flocos ou ter qualquer forma apropriada. O tamanho e a distribuição de partículas podem variar. O tamanho máximo será geralmente restringido pela largura do espaço a ser preenchido. Uma distribuição não homogênea de tamanhos de partículas pode ser conveniente para obter um preenchimento compacto possível, com pouco espaço entre as partículas.

[0072] Além de ter boas propriedades de condução elétrica, o material aplicado deve ter boas propriedades mecânicas (propriedades de esmagamento) e ser capaz de suportar altas temperaturas. Como mencionado mais adiante, as propriedades magnéticas podem ser vantajosas.

[0073] Além disso, o tamanho dos ditos sólidos pode ser de 0,1 milímetro e próximo da abertura mínima entre o corpo carbonáceo e placa condutora. Comumente, o tamanho pode ser de até 2 milímetros.

[0074] Preferencialmente, pode haver vários termopares afixados ou inseridos na placa catódica para monitorar a temperatura no cátodo. Por exemplo, os orifícios até o centro da placa podem ser perfurados na placa

15 / 17 catódica em locais apropriados para recepção de termopares. A placa de aço cria um alojamento de proteção para os termopares para sobreviver ao ambiente agressivo de produto químico durante a operação.

[0075] O comprimento de inserção das saídas horizontais pode preferencialmente ser limitado, na medida em que não cobre a parte central da placa catódica. O comprimento da inserção pode, por exemplo, ser projetado para refletir a existência de saídas verticais nessa placa e o comprimento do caminho da corrente através dos condutores para a próxima célula. Nas células dispostas lado a lado, o comprimento da inserção pode ser prolongado no lado a montante para equilibrar a captação de corrente no bloco catódico para ser mais equilibrada.

[0076] Cada elemento catódico pode ser equipado com saídas horizontais apenas, por exemplo, para células dispostas de ponta a ponta ou quando não há espaço para barramentos sob a célula, ou com várias saídas horizontais e uma saída vertical. Para otimizar o campo magnético, uma configuração com apenas uma ou duas saídas verticais e nenhuma saída horizontal também pode ser possível.

[0077] Uma combinação de diferentes configurações de placa pode ser aplicada em uma célula para criar um campo magnético favorável a partir da distribuição de corrente elétrica ou intensificar as propriedades térmicas da célula reduzindo-se o número de saídas em que uma perda de calor é indesejada, por exemplo, nas extremidades curtas da célula, que tendem a ser mais frias devido aos cantos próximos. As saídas verticais afixadas a apenas algumas placas podem ser benéficas para otimizar o fluxo de corrente e campo magnético. Isso também pode reduzir os custos da instalação quando a distribuição atual e a estabilidade magneto-hidrodinâmica da célula forem suficientes.

[0078] O cátodo de placa reivindicado tem múltiplas vantagens em comparação com um projeto tradicional compreendendo um corpo

16 / 17 carbonáceo com barras coletoras incorporadas: - A queda de tensão do cátodo (CVD) é significativamente menor devido ao número de saídas, propriedades de material elétrico, melhor contato elétrico devido à mobilidade inicial de partículas, superfície total de resistência de contato e caminhos de corrente mais curtos a partir da existência de saídas verticais - A distribuição de corrente na superfície da parte superior do bloco catódico é mais homogênea devido à geometria da placa, condutância das inserções e existência de saídas verticais, evitando, assim, indesejáveis instabilidades, causando correntes horizontais na almofada de alumínio líquido acima da superfície do bloco catódico.

A estabilidade mais alta da célula pode ser usada para reduzir a tensão e o consumo de energia da célula adicionalmente ou aumentar a amperagem e o volume de produção - Devido à melhor distribuição de corrente acima mencionada, a erosão do material carbonáceo é mais homogênea, aumentando, assim, o tempo de vida da célula - O uso do espaço vertical do arranjo é menor do que o projeto convencional, permitindo, assim, um menor invólucro do cátodo ou - se a altura do invólucro for mantida, para usar o espaço extra para melhor isolamento inferior, blocos catódicos mais altos e duradouros, ou mais altura para alumínio líquido ou banho - O projeto tem uma melhor razão de condutividade elétrica para térmica nos locais mais críticos de alta densidade de corrente e fluxo de calor, aprimorando, assim, a eficiência energética da célula (menor perda de calor e menor queda de tensão no cátodo CVD) - Quando adaptadas a um projeto de célula existente, saídas verticais, de acordo com as reivindicações, podem permitir elevar a amperagem e, assim, aumentar a produção por célula - Menor queda de tensão (CVD), menos de 150 mV

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- Melhor distribuição de corrente na superfície do cátodo proporcionando estabilidade de MHD aprimorada e, assim, opções para reduzir o ACD ou aumentar o nível de amperagem em até 15% - Menos perda de calor em virtude de menor seção transversal e superfície exposta de HO e VO, evitando cátodos frios com congelamento no fundo, especificamente se a tecnologia for usada para reduzir o consumo de energia - Menor custo de reforço, pois não há ferro fundido - Não há risco de rachaduras no bloco de carbono em comparação com as barras coletoras fundidas (ferro fundido) - Instalação flexível de VOs após a colocação dos blocos catódicos no revestimento - Melhor equilíbrio do fluxo de corrente para o lado a montante/a jusante/inferior, proporcionando melhor estabilidade do MHD - Menos altura total da montagem, proporcionando espaço para mais isolamento térmico inferior ou maior cavidade.

Isso pode ser até 150 mm - Maior vida útil do bloco de cátodo de carbono na mesma altura de montagem como projeto tradicional com barras coletoras, visto que a altura do bloco de carbono utilizável pode ser até 150 mm mais alta - Instalação mais fácil de termopares no interior da placa devido à perfuração menos profunda do que nas barras coletoras ou acesso direto pelo lado inferior

Claims (24)

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento catódico para uma célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult para produzir alumínio que compreende um corpo carbonáceo (4) de material carbonáceo calcinado conectado com o lado superior de uma placa coletora metálica (2), em que um espaço entre o dito corpo carbonáceo (4) e a placa coletora (2) é preenchido com um material condutor elétrico que preferencialmente compreende partículas condutoras, caracterizado pelo fato de que a placa coletora (2) compreende adicionalmente pelo menos uma saída de corrente horizontal (5, 5’) em pelo menos um lado e/ou pelo menos uma saída de corrente metálica vertical (7) conectada à placa coletora (2).

2. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo carbonáceo (4) é reforçado à placa coletora (2) de uma maneira em que a parte da extremidade externa do corpo carbonáceo (4) seja eletricamente isolada a partir da placa coletora (2) a uma distância de até 450 mm a partir da extremidade da mesma e para dentro.

3. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo carbonáceo (4) é reforçado à placa coletora (2) de uma maneira em que a parte da extremidade externa do corpo carbonáceo (4) é eletricamente isolada a partir da placa coletora (2) em diferentes comprimentos em ambas as extremidades da placa (assimétrica).

4. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um termopar (TC) é inserido em um componente metálico dentro ou abaixo da placa coletora (2).

5. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma saída de corrente horizontal (5; 50) integrada com a placa coletora (2; 20).

6. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma saída de corrente horizontal (5; 50) é integrada em uma fenda (S) na placa coletora (2; 20).

7. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a saída de corrente horizontal (5; 50) compreende uma parte do condutor de corrente (5 ; 50) que é integrada à placa coletora (2; 20) por uma fixação encaixada por prensa (batida) em um rebaixo da placa coletora (2; 20) que é complementar com a parte correspondente do condutor (5, 50).

8. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a parte do condutor de corrente (5; 50) integrada à placa coletora (2; 20) tem uma parte em formato de delta (51).

9. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma saída de corrente horizontal (5, 5’) em cada extremidade sendo integrada com a placa coletora (2).

10. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a seção transversal ou o comprimento de inserção da saída de corrente horizontal em uma extremidade é diferente daquele da outra extremidade (assimétrica).

11. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 10, caracterizado pelo fato de que a saída de corrente (5; 50) compreende um condutor de cobre preferencialmente coberto por uma chapa protetora (6; 60).

12. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma saída de corrente vertical (7) disposta no lado oposto da placa coletora (2) do que o dito corpo carbonáceo (4).

13. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a saída vertical (7) compreende um soquete (10) integrado com a placa coletora (2) em que um condutor de corrente m formato de haste (11) é afixado ao soquete (10).

14. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o soquete (10) é de um material metálico e adicionalmente soldado à placa coletora (2).

15. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o soquete (10) tem um rebaixo interno (17’) em que uma parte superior (17) do condutor de corrente (11) tem um formato complementar com o dito rebaixo (17’) para fixação do dito condutor de corrente (11) ao soquete (10).

16. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que a fixação é uma fixação encaixada por prensa (batida).

17. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que o soquete (10) tem roscas internas 13 em sua extremidade mais externa para receber uma luva (12’) com roscas externas complementares (16’), em que a luva circunda o condutor de corrente (11) e em que a extremidade da luva está contígua a um flange anular ou anel (14’) na haste da corrente (11) para forçar a haste (11) no soquete (10) quando apertada.

18. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado pelo fato de que existe um parafuso rosqueado (17) na parte superior do soquete que se comunica com um orifício rosqueado (17’).

19. Elemento catódico de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 18, caracterizado pelo fato de que o condutor de corrente (11) é produzido de cobre ou uma liga do mesmo.

20. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um elemento coletor metálico (3) está disposto no lado superior de uma placa coletora metálica (2), em que o dito elemento coletor (3) é incorporado em um rebaixo correspondente (9) na parte inferior do dito corpo carbonáceo (4), sendo que o rebaixo é mais amplo do que o elemento coletor e é preenchido com um material condutor elétrico que compreende partículas condutoras.

21. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que existe um ou mais elementos coletores (3), preferencialmente 3 a 7 sendo separados a uma distância de tipicamente 50 mm a 150 mm.

22. Elemento catódico de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o(s) pelo menos um elemento(s) coletor(es) (3) é(são) do mesmo comprimento ou de comprimento menor que o corpo carbonáceo (4).

23. Célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult que compreende vários elementos catódicos como definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizada pelo fato de que uma célula é construída com vários elementos catódicos e em uma configuração apenas dos mesmos elementos.

24. Célula de eletrólise do tipo Hall-Héroult que compreende vários elementos catódicos como definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizada pelo fato de que uma célula é construída com vários elementos catódicos e em uma configuração de diferentes elementos.