BRPI0620384A2 - catodos para célula de eletrólise de alumìnio e método de fabricação dos mesmos - Google Patents

Abstract

CATODOS PARA CéLULA DE ELETRóLISE DE ALUMìNIO E METODO DE FABRICAçãO DOS MESMOS. A presente invenção refere-se a catodos (1) para células de eletrólise de alumínio que consistem em blocos de catodos (4) e barras coletoras de corrente presas a estes blocos ao mesmo tempo em que as ranhuras de catodo que recebem a barra coletora são revestidas com revestimento de grafite expandido (9), proporcionando assim vida útil mais longa a tais cato- dos e produtividade de célula aumentada.

Description

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CATODOS PARA CÉLULA DE ELETRÓLISE DE ALUMÍNIO E MÉTODO DE FABRI- CAÇÃO DOS MESMOS".

A presente invenção refere-se a catodos para células de eletróli- se de alumínio que consistem em blocos catodo e barras coletoras de cor- rente presas a estes blocos enquanto as ranhuras de catodo que acomodam a barra coletora são revestidas com grafite expandido. Como uma conse- qüência, a resistência de contato entre o bloco de catodo e o vedante ferro fundido é reduzida, fornecendo um melhor fluxo de corrente através desta interface. Daí, revestimento parcial da ranhura no centro da ranhura pode ser utilizado para criar uma distribuição de corrente mais uniforme. Isto for- nece tempo de vida útil mais longo de tais catodos por meio de desgaste reduzido do catodo e assim produtividade aumentada da célula. Em adição, grafite expandido também atua como uma barreira contra deposição de compostos químicos na interface entre ferro fundido e o bloco de catodo. Ele também amortece tensões termomecânicas dependendo das características específicas da qualidade do grafite expandido selecionado.

Alumínio é produzido convencionalmente pelo processo Hall- Herault por meio de eletrólise de alumina dissolvida em eletrólitos derretidos baseados em criolita em temperaturas até aproximadamente 970°C. Uma célula de redução Hall-Herault tem tipicamente uma casca de aço dotada de um revestimento isolante de material refratário que, por sua vez, tem um re- vestimento de carbono que contata os constituintes derretidos. Barras cole- toras feitas de aço, conectadas ao pólo negativo de uma fonte de corrente contínua, são embutidas no substrato de catodo de carbono formando o piso inferior da célula. No projeto de célula convencional, barras coletoras de ca- todo de aço se estendem a partir dos condutores externos através de cada lado da célula eletrolítica para o interior dos blocos catodo de carbono.

Cada bloco de catodo tem em sua superfície interior uma ou du- as ranhuras ou sulcos que se estendem entre extremidades laterais opostas do bloco para acomodar as barras coletoras de aço. Estas ranhuras são usi- nadas tipicamente em uma forma retangular. Em proximidade junto à célula de eletrólise estas barras coletoras são posicionadas em ditas ranhuras e são presas aos blocos catodo mais comumente com ferro fundido (chamado feixes de varões - "rodding") para facilitar contato elétrico entre os blocos catodo de carbono e o aço. Os blocos catodo feitos de carbono ou grafite assim preparados são montados no fundo da célula utilizando equipamento pesado tal como guindastes e finalmente unidos com um calcamento de mis- tura de antracito, coque e alcatrão de carvão para formar o piso do fundo da célula. Uma ranhura de bloco de catodo pode abrigar uma única barra cole- tora ou duas barras coletoras, uma voltada para a outra, no centro do bloco de catodo que coincide com o centro da célula. Neste último caso, o espaço entre as barras coletoras é preenchido por um material esmagável ou por um pedaço de carbono ou mistura de costura prensada ou preferivelmente por uma mistura de tais materiais.

Células de redução de alumínio Hall-Herault são operadas em baixas voltagens por exemplo 4 a 5 volts e correntes elétricas elevadas (por exemplo 100.000 a 350.000 A). A corrente elétrica elevada penetra na célula de redução a partir do topo através da estrutura de anodo e então passa a- través do banho de criolita, através de um calço metálico de alumínio derre- tido, penetra no bloco de catodo de carbono e então é carregada para fora da célula por meio das barras coletoras.

O fluxo de corrente elétrica através do calço de alumínio e do catodo segue o trajeto de resistência mínima. A resistência elétrica em uma barra coletora de catodo convencional é proporcional ao comprimento do trajeto de corrente desde o ponto em que a corrente elétrica penetra na bar- ra coletora de catodo até o condutor externo o mais próximo. A resistência mais baixa do trajeto de corrente que começa em pontos na barra coletora de catodo mais próximos do condutor externo faz com que o fluxo de corren- te dentro do calço de alumínio derretido e blocos catodo de carbono sejam inclinados naquela direção. Os componentes horizontais do fluxo da corrente elétrica interagem com o componente vertical do campo magnético na célu- la, afetando de maneira adversa operação eficiente da célula.

A temperatura elevada e a natureza química agressiva do eletró- lito se combinam para criar um ambiente operacional adverso. Daí, tecnolo- gia de barra coletora de catodo 10 célula Hall-Herault existente ser limitada a seções de aço médio laminadas ou fundidas. Em comparação, alternativas metálicas potenciais tais como cobre ou prata têm condutividade elétrica e- levada, porém baixos pontos de fusão e custo elevado.

Até alguns anos atrás o ponto de fusão elevado e o baixo custo de aço deslocou sua condutividade elétrica relativamente pobre. A condutivi- dade elétrica de aço é tão pobre em relação ao calço metálico de alumínio que o terço externo da barra coletora mais próximo do lado do pote carrega a maior parte da carga, criando com isto uma distribuição de corrente no ca- todo muito desequilibrada dentro de cada bloco de catodo. Devido às propri- edades químicas, propriedades físicas e, em particular, as propriedades elé- tricas de blocos catodo convencionais baseados em antracito, condutividade elétrica pobre do aço não apresentou uma limitação severa de processo até recentemente. À vista da condutividade relativamente pobre das barras de aço o mesmo raciocínio é aplicável em relação à resistência de contato rela- tivamente elevada entre catodo e ferro fundido que até agora não tem apre- sentado um papel predominante nos esforços de melhoramento do rendi- mento de célula. Contudo, com a tendência genérica no sentido de custos de energia mais elevados, este efeito se torna um fator não desprezível para rendimento de fundição.

Desde aí, células de eletrólise de alumínio aumentaram em ta- manho uma vez que a amperagem operacional aumentou na perseguição de economias de escala. Como a amperagem operacional foi aumentada, blo- cos catodo de grafite baseados em coque e breu ao invés de antracito, se tornaram comuns e, além disto, a percentagem de grafite em catodos au- mentou para tirar vantagem de propriedades elétricas melhoradas é maximi- zar taxas de produção. Em diversos casos isto resultou em um movimento para blocos catodo parcialmente ou totalmente até grafitizados. A grafitiza- ção de blocos de carbono corre em uma ampla faixa de temperatura come- çando em aproximadamente 2.000°Ci se estendendo até 3000°C, ou ainda mais. Os termos "parcialmente grafitizado" ou "completamente grafitizado" se relacionam ao grau de ordem dentro dos domínios da estrutura cristalina do carbono. Contudo, nenhuma linha de fronteira distinta pode ser traçada entre estes estados. Principalmente o grau de cristalização ou grafitização, respectivamente, aumenta com temperatura máxima bem como tempo de tratamento no processo de aquecimento dos blocos de carbono. Para a des- crição de nossa invenção resumimos aqueles termos utilizando os termos "grafite" ou "catodo de grafite" para quaisquer blocos catodo em temperatu- ras acima de aproximadamente 2000°C. Por sua vez os termos "carbono" ou "catodo de carbono" são utilizados para blocos catodo que foram aquecidos até temperaturas abaixo de 2.000°Ci.

Disparados pela utilização de catodos de carbono e de grafite que fornecem condutividades elétricas mais elevadas, atenção crescente deve ser voltada para alguns efeitos técnicos que até aqui não estiveram em foco:

- desgaste de blocos catodo

- distribuição desequilibrada de corrente

- perda de energia na interface entre bloco de catodo ferro fundi- do.

Todos os três efeitos são de alguma maneira interligados, e qualquer remédio técnico deveria idealmente enfrentar mais do que um úni- co item desta tríade.

O desgaste dos blocos catodo é principalmente acionado por erosão mecânica por turbulência de calço metálico, reações eletroquímicas consumidoras de carbono facilitadas pelas correntes elétricas elevadas, pe- netração de eletrólito e alumínio líquido, bem como intercalação de sódio que provoca inchamento e deformação dos blocos catodo e mistura prensa- da. Devido às rachaduras resultantes nos blocos catodo, componentes do banho migram no sentido das barras condutoras do catodo de aço e formam depósitos sobre a superfície vedante de ferro fundido conduzindo à deterio- ração do contato elétrico e não uniformidade na distribuição de corrente. Se alumínio líquido alcança a superfície de ferro, corrosão através de formação de liga ocorre imediatamente e um teor de ferro excessivo no metal alumínio é produzido, forçando uma parada prematura de toda a célula.

O próprio material catodo de carbono fornece uma superfície relativamente dura e tem uma vida útil suficiente de cinco até dez anos. Con- tudo, quando a voltagem de contato cai na interface entre ferro fundido e os blocos catodo se tornam o efeito prejudicial dominante para a queda de vol- tagem global do catodo (QVC)) com vida útil da célula crescente, as células precisam principalmente ser novamente revestidas por razões econômicas antes que o revestimento de carbono seja realmente gasto.

Mais provavelmente, a queda de voltagem de contato crescente na interface entre ferro fundido blocos catodo pode ser atribuída a uma com- binação de dois efeitos sub-ordenados. Alumínio difundido através do bloco de catodo forma camadas isoladas, por exemplo de β-alumina em dita inter- face. Em segundo lugar, aço, bem como carbono são conhecidos deslizar quando expostos a tensão por períodos mais longos. Ambos os efeitos sub- ordenados podem ser atribuídos a desgaste do bloco de catodo, bem como distribuição de corrente desequilibrada e vice-versa, fazem a queda de vol- tagem de contato resultante influenciar de maneira prejudicial aqueles outros dois efeitos.

Erosão do bloco de catodo não ocorre de maneira equilibrada através do comprimento do bloco. Especialmente na aplicação de blocos catodo de grafite o modo de falha dominante é devido à erosão altamente localizada da superfície do bloco de catodo próximo a suas extremidades laterais conformando a superfície em um perfil W e eventualmente expondo a barra coletora ao metal alumínio. Em inúmeros projetos de célula taxas de erosão de pico mais elevadas foram observadas para estes blocos de teor de grafite mais elevado do que para blocos catodo de carbono convencio- nais. Erosão em catodos de grafite pode mesmo progredir a uma taxa de até 60 mm por ano. Desempenho operacional é portanto negociado para vida operacional.

Existe uma ligação entre a taxa de desgaste rápido, a localiza- ção da área de desgaste máximo e a não uniformidade da distribuição de corrente do catodo. Catodos de grafite são mais eletricamente condutores e como resultado têm um desenho de distribuição de corrente de catodo mais não uniforme, e daí sofrem desgaste mais elevado.

Na US 2.786.024 (Wleügel) é proposto superar distribuição de corrente de catodo não uniforme utilizando barras coletoras que são dobra- das para baixo a partir do centro da célula, de modo que a espessura do bloco de catodo entre a barra coletora e o calço metálico derretido aumenta a partir do centro da célula no sentido das arestas laterais. Aspectos de fa- bricação e transporte relacionados a tais componentes encurvados impedi- ram que esta abordagem se tornasse utilizada na prática.

A DE 2.624.171 B2 (Tschopp) descreve uma célula de eletrólise de alumínio com densidade de corrente elétrica uniforme através de toda a largura da célula. Isto é conseguido diminuindo gradualmente a espessura da camada de ferro fundido entre os blocos catodo de carbono e as barras coletoras embutidas no sentido da aresta da célula. Em uma outra modali- dade desta invenção, a camada de ferro fundido é segmentada por espaços não condutores com tamanho crescente no sentido da aresta da célula. Na prática, contudo, apareceu também embaraçoso e custoso incorporar tais camadas de ferro fundido modificadas.

Na U.S. 6.387.237(Homley e outros) uma célula de eletrólise de alumínio com densidade de corrente elétrica uniforme é reivindicada com- preendendo barras coletoras com insertos de cobre localizados na área pró- xima ao centro da célula, fornecendo assim condutividade elétrica mais ele- vada na região central da célula. Novamente, este método não encontra a - plicação em células de eletrólise de alumínio devido às complexidades técni- cas e operacionais adicionadas e custos na implementação da solução des- crita.

Em adição, qualquer abordagem da técnica precedente conside- rou meramente a distribuição de corrente uniforme dentro do plano horizon- tal ao longo do eixo do comprimento do bloco de catodo de carbono e barra coletora, respectivamente. Contudo, a outra dimensão, a saber o plano hori- zontal através da largura do bloco de catodo, também apresenta um papel significativo ao considerar a corrente elétrica que passa através da célula a partir do anodo para baixo até a barra coletora.

Consequentemente, para realizar completamente os benefícios operacionais de blocos catodo de carbono e grafite sem quaisquer negocia- ções com relação a procedimentos operacionais existentes e custos relacio- nados, existe uma necessidade para diminuir taxas de desgaste de catodo e aumentar a vida da célula fornecendo uma distribuição de corrente de cato- do mais uniforme e, ao mesmo tempo, fornecer dispositivo para um contato elétrico melhorado e sustentado na interface entre ferro fundido e o bloco de catodo.

Além disto, existe uma necessidade para fornecer uma distribui- ção de corrente de catodo mais uniforme, não apenas ao longo do compri- mento do bloco, mas também através de sua largura.

Em adição, a etapa de fundir ferro nas ranhuras para fixar as barras coletoras chamado ("rodding") é incômoda e requer equipamento pe- sado e mão de obra manual. Para simplificar ainda mais os procedimentos de montagem de catodo existe uma necessidade de completamente evitar fundir ferro para fixar as barras coletoras aos catodos.

É portanto um objetivo da presente invenção fornecer blocos catodo com ranhuras para acomodar as barras coletoras, caracterizados pelo fato de as ranhuras serem revestidas completamente ou parcialmente com grafite expandido. Grafite expandido (EG) fornece uma boa condutivi- dade elétrica e térmica especialmente com sua camada plana. Ele também fornece alguma maciez e uma boa resiliência que o tomam um material co- mum para aplicações de gaxeta. Aquelas características o tornam um mate- rial ideal para melhorar a resistência de contato entre o bloco de grafite e o ferro fundido. A resiliência também reduz de maneira significativa o aumento gradual de queda de voltagem de contato na interface entre ferro fundido e blocos catodo durante eletrólise uma vez que ele pode preencher os espa- ços formados devido a deslizamento do aço bem como carbono. Aumento gradual da queda de voltagem de contato na interface entre ferro fundido e blocos catodos é ainda reduzido especialmente por meio do revestimento EG na face inferior da ranhura de catodo quando ela atua como barreira pa- ra, por exemplo, alumínio difundido através do bloco de catodo, impedindo assim formação de camadas isoladas, por exemplo, de β-alumina em dita interface.

Além disto, a resiliência de EG facilita tensões mecânicas devido a coeficientes diferentes de expansão térmica que ocorrem entre barra cole- tora de aço, ferro fundido e bloco de catodo. Expansão térmica de diferentes materiais ocorre principalmente durante aquecimento pré-operacional da célula de eletrólise e também durante "rodding" e freqüentemente resulta em rachaduras no bloco de catodo que reduzem a ainda mais seu tempo de vi- da.

É um outro objetivo desta invenção fornecer blocos catodos que tem a ranhura completamente revestida com EG. Neste caso o contato elé- trico com o ferro fundido é melhorado através de toda a área da ranhura.

É um outro objetivo desta invenção fornecer blocos catodo que têm a ranhura parcialmente revestida com EG.

Em uma modalidade preferencial ranhura é revestida com EG somente em ambas as suas faces laterais. Esta modalidade facilita uma dis- tribuição de corrente mais uniforme, especialmente ao longo da largura do bloco de catodo e alivia tensão mecânica que ocorre de forma predominante nas faces laterais da ranhura.

É um outro objetivo desta invenção fornecer blocos catodo que têm a ranhura revestida com EG somente em sua área central. Através des- te método as linhas de campo elétrico, isto é, a corrente elétrica, são trazi- das para longe das arestas do bloco lateral no sentido do centro do bloco. Além disto, esta modalidade fornece um melhoramento considerável em dis- tribuição de corrente uniforme, não apenas ao longo do comprimento do blo- co de catodo, mas também na largura do bloco de catodo no caso em que somente as faces laterais da ranhura são revestidas com EG.

É um outro objetivo desta invenção fornecer blocos catodo que têm a ranhura revestida com EG de diferentes espessura e/ou densidade. Uma vez que as temperaturas operacionais são mais elevadas no centro da célula, a administração de expansão térmica e deslizamento dos diversos materiais é mais desafiadora no centro do catodo (isto é, célula). Daí, reves- timento EG com espessura mais elevada e/ou densidade mais baixa deveria ser preferivelmente colocado na área central do catodo para espaçar um trajeto de resiliência mais longo.

O mesmo princípio pode ser aplicado revestindo a face inferior da ranhura com um revestimento mais fino e/ou mais denso do que ambas as faces laterais quando prevalecem tensões mecânicas.

É um outro objetivo desta invenção fornecer um método de fa- bricar catodos para células de eletrólise de alumínio fabricando um bloco de catodo de carbono ou grafite e revestindo a ranhura com EG e finalmente prendendo uma barra coletora de aço a tal bloco revestido por ferro fundido.

É um outro objetivo desta invenção fornecer catodos para célu- las de eletrólise de alumínio que compreendem um bloco de catodo de car- bono ou grafite que tem um revestimento EG em sua ranhura e uma barra coletora de aço fixada diretamente a tal bloco de catodo.

Em uma modalidade preferencial tais blocos catodo de carbono ou grafite são dotados de dimensões de ranhura diminuída.

É um outro objetivo desta invenção fornecer um método de fa- bricar catodos para células de eletrólise de alumínio fabricando um bloco de catodo de carbono ou grafite revestindo inteiramente a ranhura com EG e finalmente prendendo diretamente uma barra coletora de aço a tal bloco re- vestido sem ferro fundido.

Em uma modalidade preferencial o revestimento EG é na forma de uma folha que é primeiro fixada com uma cola à barra coletora que reco- bre as superfícies opostas às superfícies de ranhura, a barra coletora assim preparada é finalmente inserida na ranhura.

É um outro objetivo desta invenção fornecer um método de fa- bricar blocos catodo que têm a ranhura revestida com EG enquanto o reves- timento EG na forma de uma folha é fixado ao catodo por meio de uma cola.

Em uma modalidade preferencial o revestimento EG na forma de uma folha é fixado à barra coletora e/ou ao catodo por meio de aplicar uma cola somente em áreas selecionadas. A invenção será agora descrita em mais detalhe com referência aos desenhos que acompanham, nos quais:

A figura 1 é uma vista em seção transversal esquemática de uma célula eletrolítica da técnica precedente para a produção de alumínio, que mostra a distribuição de corrente do catodo.

A figura 2 mostra a vista lateral esquemática de uma célula ele- trolítica da técnica precedente para a produção de alumínio, que mostra que a distribuição de corrente do catodo.

A figura 3 é uma vista lateral esquemática de um catodo de a- cordo com esta invenção.

A figura 4 é uma vista em seção transversal esquemática de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio, com um catodo de acor- do com esta invenção que mostra a distribuição de corrente do catodo.

A figura 5 é uma vista lateral esquemática de um catodo de a- cordo com esta invenção, que delineia uma modalidade preferencial desta invenção.

A figura 6 mostra a vista lateral esquemática de uma célula ele- trolítica para a produção de alumínio, com um catodo de acordo com esta invenção, que mostra a distribuição de corrente do catodo.

A figura 7 é uma vista superior esquemática de um catodo de acordo com esta invenção, que delineia uma modalidade preferencial desta invenção.

A figura 8 é uma vista lateral esquemática de um catodo de a- cordo com esta invenção, que delineia uma modalidade preferencial desta invenção.

A figura 9 delineia de maneira esquemática a preparação de tes- te de laboratório para testar a mudança de resistência através do plano sob carga.

A figura 10 mostra resultados obtidos do teste de mudança de resistência através do plano sob carga utilizando folha de grafite expandido.

Fazendo referência à figura 1, nela está mostrado um corte transversal de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio que tem um catodo da técnica precedente. A barra coletora 2 tem uma seção trans- versal transversa retangular e é fabricada de aço médio. Ela é embutida na ranhura da barra coletora 3 do bloco de catodo 4 e é conectada a ele por meio de ferro fundido 5. O bloco de catodo 4 é feito de carbono ou grafite por métodos bem-conhecidos daqueles versados na técnica.

Não estão mostradas a casca de aço da célula e a coifa feita de aço que definem a câmara de reação da célula revestida em seu fundo e laterais com tijolos refratários. O bloco de catodo 4 está em contato direto com um calço metálico de alumínio derretido 6 que é coberto pelo banho de eletrólito derretido 7. Corrente elétrica penetra na célula através de anodos 8, passa através do banho eletrolítico 7 e calço metálico derretido 6 e então penetra no bloco de catodo 4. A corrente é carregada para fora da célula através do ferro fundido 5 pelo coletor de catodo e barras coletoras de cato- do 2 que se estendem desde barras condutoras fora da parede da célula. A célula é construída de maneira simétrica como indicado pela linha de centro da célula.

Como mostrado na figura 1, linhas de corrente elétrica 10 em uma célula eletrolítica da técnica precedente são distribuídas de maneira não uniforme e mais concentradas no sentido das extremidades da barra coletora na aresta lateral do catodo. A distribuição de corrente a mais baixa é encontrada no meio do catodo 1. Desenhos de desgaste localizado obser- vados no bloco de catodo 4 são mais profundos na área de densidade de corrente elétrica a mais elevada. Esta distribuição de corrente não uniforme é a causa principal para a erosão que progride a partir da superfície do bloco de catodo 4 até alcançar a barra coletora 2. Este desenho de erosão tipica- mente resulta em uma "forma W" da superfície do bloco de catodo 4.

Na figura 2 está delineada uma vista lateral esquemática de uma célula eletrolítica equipada com um catodo da técnica precedente 1. Os ca- tados vizinhos 1 Kuhn não estão mostrados nesta figura esquemática, po- rém, genericamente, qualquer descrição adicional relacionada um único ca- todo deve ser aplicada à entidade todos os catados de uma célula eletrolíti- ca. A barra coletora 2 é embutida nas ranhuras da barra coletora 3 do bloco de catodo 4 e presa a ela por meio de ferro fundido 5. As linhas de distribui- ção de corrente elétrica 10 no catodo da técnica precedente 1 são distribuí- das de maneira não uniforme e focalizadas fortemente no sentido do topo da barra coletora 2.

A figura 3 mostra uma vista lateral de uma célula eletrolítica e- quipada com um catodo 1 de acordo com esta invenção. A barra coletora 2 é embutida na ranhura de barra coletora 3 do bloco de catodo 4 e presa a ele por ferro fundido 5. De acordo com a invenção a ranhura de barra coletora 3 é revestida com um revestimento de grafite expandido 9.

O revestimento de grafite expandido 9 de acordo com esta in- venção é utilizado preferivelmente na forma de uma folha. A folha é fabrica- da comprimindo blocos de grafite natural expandidos sob pressão elevada utilizando rolos de calandra até uma folha de uma densidade de 0,2 até

1,9 g/cm3 e uma espessura entre 0,05 até 5 mm. Opcionalmente a folha pode ser impregnada ou revestida com diversos agentes para au- mentar seu tempo de vida e/ou ajustar sua estrutura superficial. Isto pode ser seguido por comprimir um sanduíche da folha obtida e um material de reforço a placas que têm uma espessura que se situa entre 0,5 até 4 mm. Tais processos de fabricação de folha de grafite expandido são bem- conhecidos daqueles versados na técnica. O revestimento de grafite expan- dido 9 é preferivelmente fixado à barra coletora e/ou ao catodo aplicando uma cola. A cola deveria preferivelmente ser um composto carbono-aquoso com poucos contaminantes metálicos, tal como resina fenólica. Outras colas podem ser utilizadas como apropriado. Preferivelmente a cola é aplicada em áreas selecionadas somente do revestimento. Por exemplo, uma aplicação puntiforme da cola é suficiente quando o revestimento deveria apenas ser fixado para a etapa de fundição subseqüente. A cola é aplicada ao lado do revestimento aparado que irá contatar o bloco de catodo 4. Depois disto o revestimento assim preparado é aplicado preferivelmente por meio de role- tes.

Depois de revestir a superfície da ranhura da barra coletora 3 com revestimento de grafite expandido 9, finalmente uma barra coletora de aço 2 é presa a tal bloco revestido por meio de ferro fundido 5.

A figura 4 mostra uma vista em seção transversal esquemática de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio com um catodo 1 de acordo com esta invenção. Abaixo da face superior da ranhura de barra co- letora 3, o revestimento de grafite expandido 9 é visto. Devido ao ponto de vista da seção transversal, ambas as faces laterais da ranhurada da barra coletora 3, revestidas com revestimento de grafite expandido 9 são escondi- das. Em comparação com a técnica precedente (figura 1), as linhas de dis- tribuição de corrente na célula 10 distribuídas mais equilibradamente através do comprimento do catodo 1 devido ao melhor contato elétrico com o ferro fundido 5 facilitado pelo revestimento de grafite expandido 9. Contudo, esta modalidade fornece também um melhoramento considerável em distribuição de corrente uniforme através da largura do bloco de catodo 4 em compara- ção com a técnica precedente.

Uma distribuição de corrente mesmo mais uniforme através do comprimento e/ou da largura de um catodo 1 pode ser conseguida de acordo com esta invenção se a ranhura de barra coletora 3 é revestida com reves- timento de grafite expandido 9 de diferentes espessura e/ou densidade.

Em uma modalidade a ranhura de barra coletora 3 é revestida com revestimento de grafite expandido 9, isto é, 10 a 50% mais fino e/ou 10 a 50% mais denso no centro do catodo do que em sua aresta.

Em uma outra modalidade o revestimento de grafite expandido 9 na face superior da ranhura da barra coletora 3 é diferente do revestimento de grafite expandido 9 em ambas as faces laterais. Preferivelmente a ranhu- ra de barra coletora 3 é revestida com revestimento de grafite expandido 9 que é 10 a 50% mais fino e/ou 10 a 50% mais denso na face superior do que em ambas as faces laterais.

Esta modalidade fornece um melhoramento considerável na dis- tribuição de corrente uniforme, especificamente através da largura do bloco de catodo 4 bem como amortece tensão termomecânica que prevalece nas faces laterais da ranhura da barra coletora 3.

A figura 5 mostra uma vista lateral de uma célula eletrolítica e- quipada com um catodo 1 de acordo com esta invenção. A barra coletora 2 é embutida na ranhura de barra coletora 3 do bloco de catodo 4 e presa a ele por meio de ferro fundido 5. De acordo com uma modalidade preferencial da invenção somente as duas faces laterais das ranhuras da barra coletora 3 são revestidas com um revestimento de grafite expandido 9.

Como delineado na figura 6, esta modalidade fornece um melho- ramento considerável em distribuição de corrente uniforme especificamente através da largura do bloco de catodo 4 em comparação com a técnica pre- cedente (figura 2). Além disto, a tensão termomecânica que prevalece nas faces laterais da ranhura de barra coletora 3 é amortecida.

A figura 7 mostra uma vista superior esquemática de um catodo 1 de acordo com esta invenção, que delineia uma outra modalidade prefe- rencial desta invenção. Nesta figura o ferro fundido 5 não está mostrado por simplicidade. A figura 7 ao invés disto, mostra o ajuste do catodo 1 antes que o ferro fundido 5 seja derramado na ranhura da barra coletora 3. Nesta modalidade somente as duas faces laterais da ranhura da barra coletora 3 são revestidas com revestimento de grafite expandido 9 somente na área central do catodo 1. Esta modalidade proporciona utilização mínima de re- vestimento de grafite expandido 9, com resultados os mais eficientes.

A figura 8 é uma vista lateral esquemática de um catodo 1 de acordo com esta invenção, que delineia uma outra modalidade preferencial desta invenção. Neste caso a barra coletora 2 é presa ao bloco de catodo 4 meramente por um revestimento de grafite expandido 9, sem ferro fundido 5. Esta modalidade torna obsoleto o laborioso procedimento de fundição e, ao mesmo tempo, proporciona as vantagens descritas acima de utilizar revesti- mento de grafite expandido 9. Preferivelmente por meio do princípio de tra- vamento positivo ou travamento por atrito. Por exemplo, a ranhura de barra coletora 3 pode ter uma forma de rabo de andorinha. Colagem é também apropriada para prender a barra coletora 2 ao bloco de catodo 4.

Esta modalidade também permite diminuir as dimensões da ra- nhura de barra coletora 3.

A figura 9 delineia de maneira esquemática a preparação de tes- te de laboratório para testar a mudança de resistência através do plano sob carga. Esta preparação de teste foi utilizada para imitar os efeitos de utilizar revestimento de grafite expandido 9 para revestir a ranhura de barra coletora 3. Diversos tipos e espessuras de folha de grafite expandido (por exemplo SIGRAFLEX F02012Z) foram testados utilizando ciclos de carregamen- to/descarregamento. Dimensão de amostra era 25 mm em diâmetro. Os tes- tes foram realizados utilizando uma máquina de teste universal (FRANK PRÜFGERATE Gmbh).

A figura 10 mostra resultados obtidos do teste para testar a mu- dança de resistência através do plano sob carga utilizando folha de grafite expandido SIGRAFLEX F02012Z e material catodo do tipo WAL65 fabricado comercialmente por SGL Carbon Group. Este resultado mostra a mudança em resistência através do plano do sistema da técnica precedente ferro fun- dido/WAL65 (marcado "sem folha") e o sistema inovador F02012Z/ferro fun- dido/Wal65 (marcado "com folha"). Uma comparação das duas curvas de teste revela claramente a diminuição significativa em resistência através do plano especialmente em carregamentos mais baixos por meio do sistema inovador com grafite expandido. Esta vantagem é também mantida quando da relaxação de carga devido à resiliência do grafite expandido.

Embora diversos desenhos mostrem blocos catodo ou partes deles tendo uma única ranhura de barra coletora, esta invenção se aplica da mesma maneira a blocos catodo com mais do que uma ranhura de barra coletora.

A invenção é ainda descrita pelos seguintes exemplos:

Exemplo 1

100 partes de coque de petróleo com um tamanho de grão des- de 12 micra até 7 mm foram misturadas com 25 partes de pixe a 150°C em um misturador de lâminas por 10 minutos. A massa resultante foi extrudada para blocos de dimensões 700 x 500 x 3.400 mm (largura x altura x compri- mento). Estes blocos assim chamados "blocos verdes" foram colocados em uma fornalha de anel coberta por coque metalúrgico e aquecidos a 900°C. Os blocos carbonizados resultantes foram então aquecidos até 2800°Ci em uma fornalha de grafitização ao longo do comprimento. Depois disto, os blo- cos catodo brutos foram aparados para suas dimensões finais de 650 x 450 x 3.270 mm (largura x altura x comprimento). Duas ranhuras de barra coleto- ra de 135 mm de largura e 165 mm de profundidade foram cortadas de cada bloco, seguido por revestimento do setor da área da ranhura com uma folha de grafite expandido do tipo SIGRAFLEX F03811 de 0,38 mm de espessura e 1,1 g/cm3 de densidade. O revestimento foi realizado cortando um pedaço da folha de grafite expandido de acordo com as dimensões da ranhura, apli- cando uma cola de resina fenólica a um lado desta folha em uma maneira puntiforme e fixando esta folha à superfície da ranhura por meio de um role- te.

Depois disso, barras coletoras de aço foram ajustadas na ranhu- ra. Conexão elétrica foi feita da maneira convencional, derramando ferro fundido líquido no espaço entre as barras coletoras e a folha. Os blocos ca- todo foram colocados em uma célula de eletrólise de alumínio. Exemplo 2

Blocos catodo aparados para suas dimensões finais foram fabri- cados de acordo com o exemplo 1. Duas ranhuras de barra coletora parale- las de 135 mm de largura e 165 mm de profundidade cada uma, foram cor- tadas de cada bloco. Somente os lados verticais das ranhuras foram revesti- dos com uma folha de grafite expandido do tipo SIGRAFLEX F05007 de 0,5 mm de espessura e 0,7 g/cm3 de densidade, começando a 80 cm de cada extremidade lateral do bloco. Depois disto as barras coletoras de aço foram ajustadas nas ranhuras e feita conexão como no exemplo 1. Os blocos cato- do foram colocados em uma célula de eletrólise de alumínio. Exemplo 3

Blocos catodo aparados para suas dimensões finais foram fabri- cados de acordo com o exemplo 1. Duas ranhuras de barra coletora parale- las de 151 mm de largura e 166 mm de profundidade foram cortadas de ca- da bloco. Duas2 barras coletoras com 150 mm de largura e 165 mm de altu- ra foram cobertas com duas camadas de 0,5 mm de espessura de folha de grafite expandido tipo SIGRAFLEX F05007 em três de suas superfícies mais tarde opostas às superfícies de ranhura. As barras assim cobertas foram inseridas nas ranhuras assegurando um ajuste moderadamente apertado à temperatura ambiente. As barras foram fixadas de maneira mecânica para impedir que elas deslizassem para fora enquanto manipuladas. Depois disto, os blocos catodo foram colocados em uma célula de eletrólise de alumínio.

Tendo descrito assim as modalidades atualmente preferenciais de nossa invenção, deve ser entendido que a invenção pode ser conformada de outra maneira sem se afastar do espírito e escopo das reivindicações a seguir.

Claims (19)

1. Catodo (1) para células de eletrólise de alumínio que compre- ende um bloco de catodo de carbono ou grafite (4) com uma ranhura para barra coletora (3) que acomoda uma barra coletora de corrente feita de aço (2) caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é reves- tida com um revestimento de grafite expandido (9).

2. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é completamente revestida com um revestimento de grafite expandido (9).

3. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é parcialmente revestida com um revestimento de grafite expandido (9).

4. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é revestida com um reves- timento de grafite expandido (9) somente em ambas as suas faces laterais.

5. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracteriza- do pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é revestida com um revestimento de grafite expandido (9) somente em sua área central que co- bre 30 até 60% do comprimento do catodo.

6. Catodo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 5, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é re- vestida com um revestimento de grafite expandido (9) de diferente espessu- ra e/ou densidade.

7. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é revestida com um reves- timento de grafite expandido (9) de 10 até 50% de espessura maior e/ou 10 até 50% de densidade menor na área central do catodo do que em sua ares- ta.

8. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é revestida com um reves- timento de grafite expandido (9) de 10 até 50% de espessura maior e/ou 10 até 50% de densidade menor em ambas as faces laterais do que na face superior.

9. Catodo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 8, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é re- vestida com um revestimento de grafite expandido (9) e uma barra coletora de aço (2) é fixada ao bloco de catodo (4) por meio de ferro fundido (5).

10. Catodo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 8, caracterizado pelo fato de que a ranhura para barra coletora (3) é revestida com um revestimento de grafite expandido (9) e uma barra coletora de aço (2) é fixada ao bloco de catodo (4) por meio do revestimento de grafi- te expandido (9).

11. Catodo (1) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o bloco de catodo (4) é dotado de ranhura de barra coletora (3) de dimensões reduzidas.

12. Catodo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de ter mais do que uma ranhura para barra coletora (3).

13. Método de fabricar catodos (1) para células de eletrólise de alumínio, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fabricar um bloco de catodo (4) de carbono ou grafite, revestir a ranhura para barra coletora (3) completamente ou par- cialmente com revestimento de grafite expandido (9) e ajustar uma barra coletora de aço (2) a tal bloco revestido (4) por meio de ferro fundido (5).

14. Método de fabricar catodos (1) para células de eletrólise de alumínio, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fabricar um bloco de catodo (4) de carbono ou grafite, revestir a ranhura para barra coletora (3) completamente ou par- cialmente com revestimento de grafite expandido (9) e ajustar uma barra coletora de aço (2) em tal bloco revestido (4).

15. Método de fabricar catodos (1) para células de eletrólise de alumínio, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fabricar um bloco de catodo (4) de carbono ou grafite, revestir a barra coletora de aço (2) completamente ou parcial- mente com revestimento de grafite expandido (9) nas superfícies voltadas para a ranhura para barra coletora (3) e ajustar a barra coletora de aço revestida (2) no bloco (4).

16. Método de fabricar catodos (1) de acordo com as reivindica- ções 13 e 14, caracterizado pelo fato de que, o revestimento de grafite ex- pandido (9) é fixado ao bloco de catodo (4) por meio de uma cola.

17. Método de fabricar catodos (1) de acordo com a reivindica- ção 15, caracterizado pelo fato de que, o revestimento de grafite expandido (9) é fixado à barra coletora de aço (2) por meio de uma cola.

18. Método de fabricar catodos (1) de acordo com as reivindica- ções 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que, o revestimento de grafite ex- pandido (9) é fixado à barra coletora (2) ou ao bloco de catodo (4) aplicando uma cola somente em áreas selecionadas.

19. Células para eletrólise de alumínio caracterizadas pelo fato de conter catodos (1) de acordo com uma das reivindicações 1 a 12.