BRPI0621553B1

BRPI0621553B1 - CATHODES FOR ALUMINUM ELECTROLYSIS CELLS, METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM ELECTROLYSIS CATHODS AND CELLS

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Publication number: BRPI0621553B1
Authority: BR
Publication date: 2017-08-15

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CATO-DOS PARA CÉLULAS DE ELETRÓLISE DE ALUMÍNIO, MÉTODO PARA FABRICAR CATODOS E CÉLULAS DE ELETRÓLISE DE ALUMÍNIO".Report of the Invention Patent for "CATO-DOS FOR ALUMINUM ELECTROLYSIS CELLS, METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM ELECTROLYSIS CODES AND CELLS".

[001] A presente invenção refere-se a catodos para células de eletrólise de alumínio que consistem em blocos de catodo e barras coletoras de corrente presas a estes blocos enquanto que as fendas de catodo que recebem a barra coletora tem um projeto não-plano. Ainda, o projeto de barra coletora está adaptado a tal projeto de fenda não-plano.[001] The present invention relates to cathodes for aluminum electrolysis cells consisting of cathode blocks and current collecting bars attached to these blocks while the cathode slots receiving the collecting bar have a non-flat design. Also, the collecting bar design is adapted to such a non-flat slot design.

[002] Como um resultado, uma distribuição de corrente mais uniforme ao longo do comprimento de catodo é conseguida. Isto provê um tempo de vida útil mais longo de tais catodos pelo desgaste de catodo reduzido e assim uma produtividade de célula aumentada.As a result, a more uniform current distribution over the cathode length is achieved. This provides a longer service life of such cathodes by reduced cathode wear and thus increased cell productivity.

[003] O alumínio é convencionalmente produzido pelo processo de Hall-Heroult, pela eletrólise de alumina dissolvida em eletrólitos fundidos baseados em criolita a temperaturas até aproximadamente 970 Ό. Uma célula de redução de Hall-Heroult tipicamente tem um invólucro de aço provido com um revestimento isolante de material re-fratário, o qual por sua vez tem um revestimento de carbono que contacta os constituintes fundidos. Barras coletoras feitas de aço conectadas no pólo negativo de uma fonte de corrente contínua estão embutidas no substrato de catodo de carbono formando o fundo inferior de célula. No projeto de célula convencional, as barras coletoras de catodo de aço estendem-se dos barramentos externos através de cada lado da célula eletrolítica para dentro dos blocos de catodo de carbono.Aluminum is conventionally produced by the Hall-Heroult process by electrolysis of alumina dissolved in cryolite-based molten electrolytes at temperatures up to approximately 970 Ό. A Hall-Heroult reduction cell typically has a steel casing provided with an insulating coating of refractory material, which in turn has a carbon coating that contacts molten constituents. Steel pick-up bars connected to the negative pole of a direct current source are embedded in the carbon cathode substrate forming the bottom cell bottom. In conventional cell design, steel cathode collection bars extend from the outer rails across each side of the electrolytic cell into the carbon cathode blocks.

[004] Cada bloco de catodo tem na sua superfície inferior uma ou duas fendas ou ranhuras que estendem-se entre as extremidades laterais opostas do bloco para receber as barras coletoras de aço. Estas fendas são usinadas tipicamente em uma forma retangular. Em proximidade estreita com a célula de eletrólise, estas barras coletoras estão posicionadas dentro das ditas fendas e estão presas nos blocos de catodo mais comumente com ferro fundido (denominadas "formação de haste") para facilitar o contato elétrico entre os blocos de catodo de carbono e o aço. Os blocos de catodo feitos de carbono ou de grafite assim preparados são montados no fundo da célula pela utilização de equipamentos pesados tais como guindastes e finalmente unidos com uma mistura de calçamento de antracito, grafite e alcatrão de carvão para formar o fundo inferior de célula. Uma fenda de bloco de catodo pode alojar uma única barra coletora ou duas barras coletoras que fa-ceiam uma à outra no centro de bloco de catodo coincidindo com o centro da célula. No último caso, a folga entre as barras coletoras é preenchida com um material esmagável ou por uma peça de carbono ou por uma mistura de costura socada ou de preferência por uma mistura de tais materiais.Each cathode block has on its bottom surface one or two slots or slots extending between the opposite side ends of the block to receive the steel collecting bars. These slots are typically machined into a rectangular shape. In close proximity to the electrolysis cell, these collecting bars are positioned within said slots and are attached to the most commonly cast iron cathode blocks (called "rod forming") to facilitate electrical contact between the carbon cathode blocks. and the steel. The carbon or graphite cathode blocks thus prepared are mounted to the bottom of the cell using heavy equipment such as cranes and finally joined with a mixture of anthracite, graphite and coal tar to form the bottom of the cell. A cathode block slot can house a single pickup bar or two pickup bars that face each other at the cathode block center coinciding with the center of the cell. In the latter case, the gap between the collecting bars is filled with a crushable material or a piece of carbon or a blended seam mixture or preferably a mixture of such materials.

[005] As células de redução de Hall-Heroult são operadas em baixas voltagens (por exemplo 4-5 V) e altas correntes elétricas (por exemplo 100.000-400.000 A). A alta corrente elétrica entra na célula de redução do topo através da estrutura de anodo e então passa através do banho de criolita, através de um bloco metálico de alumínio fundido, entra no bloco de catodo de carbono e então é carregada para fora da célula pelas barras coletoras.Hall-Heroult reduction cells are operated at low voltages (eg 4-5 V) and high electrical currents (eg 100,000-400,000 A). The high electric current enters the top reduction cell through the anode structure and then passes through the cryolite bath through a molten aluminum metal block, enters the carbon cathode block and is then charged out of the cell by collecting bars.

[006] O fluxo de corrente elétrica através do bloco de alumínio e do catodo flui pelo percurso de menor resistência. A resistência elétrica em uma barra coletora de catodo convencional é proporcional ao comprimento do percurso de corrente do ponto em que a corrente elétrica entra na barra coletora de catodo até o barramento externo mais próximo. A menor resistência do percurso de corrente que inicia em pontos sobre a barra coletora de catodo mais próxima do barramento ex- terno faz com que o fluxo de corrente dentro do bloco de alumínio fundido e dos blocos de catodo de carbono seja desviado naquela direção. Os componentes horizontais do fluxo de corrente elétrica interagem com o componente vertical do campo magnético dentro da célula, afetando adversamente uma eficiente operação de célula.The flow of electric current through the aluminum block and cathode flows through the path of least resistance. The electrical resistance in a conventional cathode busbar is proportional to the length of the current path from the point at which electric current enters the cathode busbar to the nearest external busbar. The lower resistance of the current path that starts at points on the cathode collecting bar closest to the outer bus causes the current flow within the molten aluminum block and carbon cathode blocks to be deflected in that direction. The horizontal components of the electric current flow interact with the vertical component of the magnetic field within the cell, adversely affecting efficient cell operation.

[007] A alta temperatura e a natureza química agressiva do ele-trólito combinam para criar um ambiente de operação severo. Com isto, a tecnologia de barra coletora de catodo de célula de Hall-Heroult fica limitada a seções de aço doce rolado ou fundido. Em comparação, as alternativas metálicas potenciais tais como o cobre ou a prata tem alta condutividade elétrica mas baixos pontos de fusão e alto custo.[007] The high temperature and aggressive chemical nature of the electrolyte combine to create a harsh operating environment. As a result, Hall-Heroult's cell cathode collecting bar technology is limited to rolled or cast mild steel sections. In comparison, potential metallic alternatives such as copper or silver have high electrical conductivity but low melting points and high cost.

[008] Até alguns anos atrás, o alto ponto de fusão e o baixo custo do aço superavam a sua baixa condutividade elétrica. A condutividade elétrica do aço é tão baixa em relação ao bloco de alumínio que a terça parte externa da barra coletora, mais próxima do lado da panela, carrega a maior parte da carga, por meio disto criando uma distribuição de corrente de catodo muito desigual dentro de cada bloco de catodo. Devido às propriedades químicas, às propriedades físicas, e, especificamente às propriedades elétricas dos blocos de catodo convencionais baseados em antracito, a baixa condutividade elétrica do aço não apresentava uma limitação de processo severa até recentemente, em vista da condutividade relativamente baixa das barras de aço, o mesmo raciocínio é aplicado em relação à resistência de contato relativamente alta entre o catodo e o ferro fundido que até agora não desempenhava um papel predominante nos esforços de aperfeiçoamento de eficiência de célula. No entanto, com a tendência geral na direção de custos de energia mais altos, este efeito torna-se um fato não insignificante para a eficiência de fusão.Until a few years ago, the high melting point and low cost of steel outweighed its low electrical conductivity. The electrical conductivity of the steel is so low relative to the aluminum block that the outer third of the collecting bar, closer to the side of the pan, carries most of the load, thereby creating a very unequal cathode current distribution within. of each cathode block. Due to the chemical properties, physical properties, and specifically the electrical properties of conventional anthracite-based cathode blocks, the low electrical conductivity of steel has not had a severe process limitation until recently, given the relatively low conductivity of steel bars. , the same reasoning applies with respect to the relatively high contact resistance between the cathode and cast iron which until now did not play a predominant role in cell efficiency improvement efforts. However, with the general trend towards higher energy costs, this effect becomes a not insignificant fact for fusion efficiency.

[009] Desde então, as células de eletrólise de alumínio tem aumentado de tamanho conforme a amperagem de operação aumentou na busca de economias de escala. Conforme a operação de ampera-gem foi aumentada, os blocos de catodo de grafite com base em coque ao invés de antracito tornaram-se comuns e adicionalmente a percentagem de grafite em catodos aumentou para aproveitar-se das propriedades elétricas aperfeiçoadas e maximizar as taxas de produção. Em muitos casos, isto resultou em um movimento para os blocos de catodo parcialmente ou totalmente grafitados. A grafitação de blocos de carbono ocorre em uma ampla faixa de temperatura que começa ao redor de 2000 *C estendendo-se até 3000 *C ou mesmo além. Os termos catodo "parcialmente grafitado" ou "totalmente grafitado" referem-se ao grau de ordem dentro dos domínios da estrutura de cristal de carbono. No entanto, nenhuma linha de limite pode ser traçada entre estes estados. Principalmente, o grau de cristalização ou de grafitação, respectivamente, aumenta com a temperatura máxima assim como o tempo de tratamento no processo de aquecimento dos blocos de carbono. Para a descrição desta invenção, resumimos estes termos utilizando os termos "grafite" ou "catodo de grafite" para qualquer bloco de catodo a temperaturas acima de aproximadamente 2000 °C. Por sua vez, os termos "carbono" ou "catodo de carbono" são utilizados para os blocos de catodo que foram aquecidos a temperaturas abaixo de 2000 °C.Since then, aluminum electrolysis cells have grown in size as operating amps increased in pursuit of economies of scale. As the tempering operation increased, coke-based graphite cathode blocks instead of anthracite became common and additionally the percentage of graphite in cathodes increased to take advantage of improved electrical properties and to maximize the rates of production. In many cases this has resulted in a movement to partially or fully graffiti cathode blocks. Carbon block graphitization occurs over a wide temperature range that starts around 2000 * C extending to 3000 * C or even beyond. The terms "partially graphitized" or "fully graphitized" cathode refer to the degree of order within the domains of the carbon crystal structure. However, no boundary lines can be drawn between these states. Mostly, the degree of crystallization or graphite, respectively, increases with the maximum temperature as well as the treatment time in the carbon block heating process. For the description of this invention, we summarize these terms using the terms "graphite" or "graphite cathode" for any cathode block at temperatures above about 2000 ° C. In turn, the terms "carbon" or "carbon cathode" are used for cathode blocks that have been heated to temperatures below 2000 ° C.

[0010] Incentivada pela utilização de catodos de carbono e de grafite que provêem condutividades elétricas mais altas, uma atenção aumentada precisou ser prestada a alguns efeitos técnicos que até o momento não estavam em foco: - desgaste de blocos de catodo - distribuição de corrente desigual - perda de energia na interface entre o bloco de catodo e o ferro fundido [0011] Todos os três efeitos estão um tanto interligados e qualquer solução técnica deveria idealmente resolver mais do que um único item desta tríade.Encouraged by the use of carbon and graphite cathodes that provide higher electrical conductivities, increased attention needs to be paid to some technical effects that have not yet been in focus: - cathode block wear - unequal current distribution Energy loss at the interface between the cathode block and cast iron All three effects are somewhat interconnected and any technical solution should ideally solve more than a single item in this triad.

[0012] O desgaste dos blocos de catodo é principalmente executado por erosão mecânica por turbulência de bloco metálico, reações de consumo de carbono eletroquímicas facilitadas pelas altas correntes elétricas, pela penetração de eletrólito e de alumínio líquido, assim como pela intercalação de sódio, o que causa inchamento e deformação dos blocos de catodo e da mistura de calçamento. Devido a ra-chaduras resultantes nos blocos de catodo, os componentes do banho migram na direção das barras condutoras de catodo de aço e formam depósitos sobre a superfície vedante de ferro fundido levando à deterioração do contato elétrico e a não uniformidade em distribuição de corrente. Se o alumínio líquido atingir a superfície de ferro, uma corrosão através de formação de liga imediatamente ocorre e um conteúdo de ferro excessivo no metal de alumínio é produzido, forçando um desligamento prematuro da célula inteira.Cathode block wear is mainly performed by mechanical erosion by metal block turbulence, electrochemical carbon consumption reactions facilitated by high electrical currents, electrolyte and liquid aluminum penetration, as well as sodium interleaving, which causes swelling and deformation of the cathode blocks and the pavement mixture. Due to the resulting cracking in the cathode blocks, the bath components migrate in the direction of the steel cathode conductor bars and form deposits on the cast iron sealing surface leading to deterioration of electrical contact and uneven current distribution. If liquid aluminum hits the iron surface, corrosion through alloying immediately occurs and excessive iron content in the aluminum metal is produced, forcing premature shutdown of the entire cell.

[0013] A erosão de bloco de catodo não ocorre uniformemente através do comprimento de bloco. Especialmente na aplicação de blocos de catodo de grafite, o modo de falha dominante é devido à erosão altamente localizada da superfície de bloco de catodo próximo de suas extremidades laterais, modelando a superfície em um perfil em W e eventualmente expondo a barra coletora ao metal de alumínio. Em um número de projetos de célula, taxas de erosão de pico mais altas foram observadas para estes blocos de conteúdo de grafite mais alto do que para os blocos de catodo de carbono convencionais. A erosão nos catodos de grafite pode até progredir a uma taxa de até 60 mm por ano. O desempenho de operação é portanto trocado por vida de operação.Cathode block erosion does not occur uniformly across the block length. Especially in the application of graphite cathode blocks, the dominant failure mode is due to the highly localized erosion of the cathode block surface near its side edges, shaping the surface into a W profile and eventually exposing the collecting bar to the metal. aluminum. In a number of cell designs, higher peak erosion rates were observed for these higher graphite content blocks than for conventional carbon cathode blocks. Erosion in graphite cathodes may even progress at a rate of up to 60 mm per year. Operating performance is therefore exchanged for operating life.

[0014] Existe uma conexão entre a rápida taxa de desgaste, a localização da área de máximo desgaste, e a não uniformidade da dis- tribuição de corrente de catodo. Os catodos de grafite são mais eletricamente condutores e como um resultado tem um padrão de distribuição de corrente de catodo muito mais não-uniforme e com isto sofrem de desgaste mais alto.There is a connection between the rapid wear rate, the location of the maximum wear area, and the non-uniformity of the cathode current distribution. Graphite cathodes are more electrically conductive and as a result have a much more non-uniform cathode current distribution pattern and thus suffer from higher wear.

[0015] Na Patente U.S. Número 2.786.024 (Wleügel) está proposto superar a distribuição de corrente de catodo não-uniforme pela utilização de barras coletoras as quais são dobradas para baixo do centro de célula de modo que a espessura do bloco de catodo entre a barra coletora e o bloco de metal fundido aumente do centro de célula na direção das bordas laterais. Esta proposta requer não somente componentes curvos mas também um projeto de célula significativamente inteiramente modificado sendo adaptado. Estas especificações impedem que esta proposta seja utilizada na prática.In US Patent No. 2,786,024 (Wleügel) it is proposed to overcome the non-uniform cathode current distribution by the use of collecting bars which are bent down from the cell center so that the thickness of the cathode block between the pickup bar and the molten metal block increase from the cell center toward the side edges. This proposal requires not only curved components but also a significantly fully modified cell design to be adapted. These specifications prevent this proposal from being used in practice.

[0016] A Patente U.S. Número 4.110.179 (Tschopp) descreve uma célula de eletrólise de alumínio com densidade de corrente elétrica uniforme através da largura de célula inteira. Isto é conseguido diminuindo gradualmente a espessura da camada de ferro fundido entre os blocos de catodo de carbono e as barras coletoras embutidas na direção da borda da célula. Em uma modalidade adicional desta invenção, a camada de ferro fundido é segmentada por espaços não-condutores com tamanho crescente na direção da borda de célula. Na prática no entanto, parece muito desajeitado e custoso incorporar tais camadas de ferro fundido modificadas.U.S. Patent No. 4,110,179 (Tschopp) describes an aluminum electrolysis cell with uniform electric current density across the entire cell width. This is achieved by gradually decreasing the thickness of the cast iron layer between the carbon cathode blocks and the collecting bars embedded towards the edge of the cell. In a further embodiment of this invention, the cast iron layer is segmented by non-conductive spaces with increasing size towards the cell edge. In practice, however, it seems very clumsy and costly to incorporate such modified cast iron layers.

[0017] Na Patente U.S. Número 6.387.237 (Hornley et ai.) uma célula de eletrólise de alumínio com densidade de corrente elétrica uniforme é reivindicada, que compreende barras coletoras com insertos de cobre localizados na área próxima do centro de célula assim provendo uma condutividade elétrica mais alta na região central da célula. Novamente, este método não encontrou aplicação nas células de eletrólise de alumínio devido às complexidades técnicas e operacionais acrescentadas e custos na implementação da solução descrita.In US Patent No. 6,387,237 (Hornley et al.) An aluminum electrolysis cell of uniform electric current density is claimed, comprising copper insert collecting bars located in the area near the center of the cell thus providing a highest electrical conductivity in the central region of the cell. Again, this method found no application in aluminum electrolysis cells due to the added technical and operational complexities and costs in implementing the described solution.

[0018] Nenhuma proposta da técnica anterior considerou a utilização de blocos de catodo com dimensões externas padrão tendo um projeto de fenda modificado e barras coletoras adaptadas a tal projeto.No prior art proposal has considered the use of standard external dimension cathode blocks having a modified slit design and collection bars adapted to such design.

[0019] Consequentemente, de modo a realizar totalmente os benefícios de operação de blocos de catodo de carbono e de grafite sem nenhuma negociação com referência a procedimentos operacionais existentes e projetos de célula padrão, existe uma necessidade de diminuir as taxas de desgaste de catodo e aumentar a vida de célula pela provisão de uma distribuição de corrente de catodo mais uniforme e ao mesmo tempo provendo catodos com dimensões externas padrão.Consequently, in order to fully realize the operating benefits of carbon and graphite cathode blocks without any negotiation with reference to existing operating procedures and standard cell designs, there is a need to decrease cathode wear rates and increase cell life by providing a more uniform cathode current distribution while providing standard external dimension cathodes.

[0020] É portanto um objetivo da presente invenção prover blocos de catodo de carbono ou de grafite com dimensões externas padrão com fendas de barra coletora, caracterizados pelo fato de que a profundidade de fenda é crescente na direção do centro de bloco de catodo. Em catodos que compreendem tais blocos de catodo e barras coletoras de aço padrão, as linhas de campo elétrico, isto é, a corrente elétrica, são atraídas afastando das bordas de bloco laterais na direção do centro de bloco assim provendo uma distribuição de corrente mais uniforme ao longo do comprimento de bloco de catodo.It is therefore an object of the present invention to provide standard dimensioned carbon or graphite cathode blocks with collecting bar slots, characterized in that the slot depth is increasing towards the cathode block center. In cathodes comprising such standard steel cathode blocks and bus bars, the electric field lines, ie the electric current, are drawn away from the side block edges towards the center of the block thus providing a more uniform current distribution. along the cathode block length.

[0021] É outro objetivo da presente invenção prover um catodo que compreende um bloco de catodo de carbono ou de grafite com dimensões externas padrão com fendas de barra coletora com profundidade crescente na direção do centro de bloco de catodo e barras coletoras de corrente presas, caracterizado pelo fato de que a espessura da barra coletora de corrente está crescendo na direção do centro de bloco no lado que faceia a face superior da fenda. Nos respectivos catodos, as linhas de campo elétrico, isto é, a corrente elétrica, são atraídas afastando das bordas de bloco laterais na direção do centro de bloco ainda mais notadamente do que no caso de mudar somente o projeto de fenda. Com isto, esta modalidade provê um aperfeiçoamento considerável em distribuição de corrente uniforme ao longo do comprimento de bloco de catodo.It is another object of the present invention to provide a cathode comprising a standard external dimension carbon or graphite cathode block with increasing depth collecting bar slits toward the cathode block center and attached current collecting bars, characterized by the fact that the thickness of the current collecting bar is increasing towards the block center on the side facing the upper face of the slot. In the respective cathodes, the electric field lines, that is, the electric current, are drawn away from the side block edges towards the block center even more noticeably than in case of changing only the slot design. Thus, this embodiment provides a considerable improvement in uniform current distribution over the cathode block length.

[0022] É outro objetivo desta invenção prover um método para fabricar os catodos para as células de eletrólise de alumínio pela fabricação de um bloco de catodo de carbono ou de grafite e prendendo uma barra coletora de aço a tal bloco revestido.It is another object of this invention to provide a method for fabricating the cathodes for aluminum electrolysis cells by fabricating a carbon or graphite cathode block and securing a steel collecting bar to such a coated block.

[0023] A invenção será agora descrita em mais detalhes com referência aos desenhos acompanhantes nos quais: [0024] a figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de uma célula eletrolítica da técnica anterior para a produção de alumínio que mostra a distribuição de corrente de catodo;[0023] The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a prior art electrolytic cell for aluminum production showing current distribution. cathode;

[0025] a figura 2 mostra a vista lateral esquemática de um catodo da técnica anterior;Figure 2 shows the schematic side view of a prior art cathode;

[0026] a figura 3 é uma vista lateral esquemática de um catodo de acordo com esta invenção;Figure 3 is a schematic side view of a cathode according to this invention;

[0027] a figura 4 A, B é uma vista lateral esquemática de duas modalidades de um bloco de carbono para um catodo de acordo com esta invenção;Figure 4A, B is a schematic side view of two embodiments of a carbon block for a cathode according to this invention;

[0028] a figura 5 é uma vista lateral esquemática de um catodo de acordo com esta invenção;Fig. 5 is a schematic side view of a cathode according to this invention;

[0029] a figura 6 é uma vista lateral esquemática de um catodo de acordo com esta invenção;Fig. 6 is a schematic side view of a cathode according to this invention;

[0030] a figura 7 mostra uma vista lateral esquemática de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio com um catodo de acordo com esta invenção que mostra a distribuição de corrente de catodo; e [0031] a figura 8 é uma vista de topo tridimensional esquemática do catodo de acordo com esta invenção.Figure 7 shows a schematic side view of an electrolytic cell for the production of aluminum with a cathode according to this invention showing the cathode current distribution; and Figure 8 is a schematic three-dimensional top view of the cathode according to this invention.

[0032] Referindo à figura 1, está mostrado um corte transversal de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio, que tem um cato- do 1 da técnica anterior. A barra coletora 2 tem uma seção transversal retangular e é fabricada de aço doce. Esta está embutida na fenda de barra coletora 3 do bloco de catodo 4 e conectada a este por ferro fundido 5. O bloco de catodo 4 é feito de carbono ou de grafite por métodos bem-conhecidos daqueles versados na técnica.Referring to Figure 1, there is shown a cross section of an electrolytic cell for the production of aluminum, which has a prior art cathode 1. The collecting bar 2 has a rectangular cross section and is made of mild steel. This is embedded in the collecting bar slot 3 of the cathode block 4 and connected to it by cast iron 5. The cathode block 4 is made of carbon or graphite by methods well known to those skilled in the art.

[0033] Não são mostrados o envoltório de aço da célula e a capa feita de aço que definem a câmara de reação de célula revestida no seu fundo e lados com tijolos refratários. O bloco de catodo 4 está em contato direto com um bloco de metal de alumínio fundido 6 e está coberto pelo banho de eletrólito fundido 7. A corrente elétrica entra na célula através de anodos 8, passa através do banho eletrolítico 7 e do bloco metálico fundido 6, e então entra no bloco de catodo 4. A corrente é carregada para fora da célula através do ferro fundido 5 pelas barras coletoras de catodo 2 que estendem-se de barramentos fora da parede de célula. A célula está simetricamente construída como indicado pela linha de centro de célula C.[0033] The steel wrap of the cell and the cover made of steel defining the cell reaction chamber lined at its bottom and sides with refractory bricks are not shown. Cathode block 4 is in direct contact with a molten aluminum metal block 6 and is covered by molten electrolyte bath 7. Electrical current enters the cell through anodes 8, passes through electrolytic bath 7 and molten metal block 6, and then enters cathode block 4. Current is carried out of the cell through cast iron 5 by cathode collection bars 2 extending from buses outside the cell wall. The cell is symmetrically constructed as indicated by the center line of cell C.

[0034] Como mostrado na figura 1, as linhas de corrente elétrica 10 em uma célula eletrolítica da técnica anterior estão não-uniformemente distribuídas e mais concentradas na direção das extremidades da barra coletora na borda de catodo lateral. A menor distribuição de corrente é encontrada no meio do catodo 1. Os padrões de desgaste localizados observados sobre o bloco de catodo 4 são mais profundos na área de densidade de corrente elétrica mais alta. Esta distribuição de corrente não-uniforme é a principal causa para a erosão progredir da superfície de um bloco de catodo 4 até esta atingir a barra coletora 2. Este padrão de erosão tipicamente resulta em uma "forma de W" da superfície de bloco de catodo 4.As shown in Figure 1, electric current lines 10 in a prior art electrolytic cell are unevenly distributed and more concentrated toward the ends of the collecting bar at the side cathode edge. The smallest current distribution is found in the middle of cathode 1. The localized wear patterns observed on cathode block 4 are deeper in the area of highest electric current density. This non-uniform current distribution is the main cause for erosion to progress from the surface of a cathode block 4 until it reaches collecting bar 2. This erosion pattern typically results in a "W shape" of the cathode block surface. 4

[0035] A figura 2 apresenta um catodo 1 da técnica anterior. A barra coletora 2 tem uma seção transversal retangular e é fabricada de aço doce. Esta está embutida na fenda de barra coletora 3 do bloco de catodo de carbono ou de grafite 4 e conectada a este pelo ferro fundido 5. A fenda 3 da técnica anterior tem uma face de topo plana e uma profundidade que varia entre 100 mm e 200 mm. As faces laterais da fenda 3 podem ser planas ou ligeiramente côncavas (forma de rabo de andorinha). Apesar da barra coletora de aço 2 estar presa a tal bloco tipicamente por ferro fundido 5, uma pasta de calçamento ou uma cola de alta temperatura é também apropriadas para prender a barra coletora 2 no bloco de catodo 4.Figure 2 shows a prior art cathode 1. The collecting bar 2 has a rectangular cross section and is made of mild steel. This is embedded in the collector bar slot 3 of the carbon or graphite cathode block 4 and connected to it by cast iron 5. The prior art slot 3 has a flat top face and a depth ranging from 100 mm to 200 mm mm The side faces of slot 3 may be flat or slightly concave (dovetail shape). Although the steel collecting bar 2 is attached to such a block typically by cast iron 5, a shim paste or a high temperature glue is also suitable for securing the collecting bar 2 to the cathode block 4.

[0036] A figura 3 apresenta um catodo 1 de acordo com esta invenção. A barra coletora 2 da técnica anterior tem uma seção transversal retangular e é fabricada de aço doce. Esta está embutida na fenda de barra coletora 3 do bloco de catodo de carbono ou de grafite 4 e conectada a este por ferro fundido 5. A fenda 3 não tem uma face de topo plana mas a sua profundidade é crescente na direção de seu centro C. A profundidade da fenda 3 no centro de bloco C pode variar entre 10 a 60 mm em relação à profundidade da fenda 3 nas bordas de bloco internas. Levando em conta a profundidade de fenda 3 nas bordas de bloco lateral de 100 a 200 mm, a profundidade total da fenda 3 no centro de bloco C pode variar entre 110 e 260 mm.Figure 3 shows a cathode 1 according to this invention. The prior art collecting bar 2 has a rectangular cross section and is made of mild steel. It is embedded in the collector bar slot 3 of the carbon or graphite cathode block 4 and connected to it by cast iron 5. Slot 3 does not have a flat top face but its depth is increasing toward its center C The depth of slot 3 in block center C may vary from 10 to 60 mm relative to the depth of slot 3 at the inner block edges. Taking into account slot depth 3 at the side block edges of 100 to 200 mm, the total depth of slot 3 at the center of block C may range from 110 to 260 mm.

[0037] Como mostrado nas figura 4 A, B, a fenda 3 pode também ter por exemplo uma forma semicircular ou semi-elíptica e a forma pode compreender um ou mais degraus.As shown in Figs. 4A, B, slot 3 may also have for example a semicircular or semi-elliptical shape and the shape may comprise one or more steps.

[0038] Também mostrada nas figuras 4 A, B é que a não planici-dade da face de topo da fenda 3 pode não necessariamente iniciar diretamente das bordas de bloco laterais mas a fenda 3 pode ter uma face de topo plana inicial em ambas as bordas de bloco laterais estendendo-se além de 10 a 1000 mm de cada borda. A fenda 3 de acordo com esta invenção é usinada dentro do bloco de catodo 2 utilizando o equipamento e os procedimentos de fabricação padrão como utilizados para as fendas 3 da técnica anterior.Also shown in FIGS. 4A, B is that the non-flatness of the top face of slot 3 may not necessarily start directly from the side block edges but slot 3 may have an initial flat top face on both sides. side block edges extending beyond 10 to 1000 mm from each edge. Slot 3 according to this invention is machined within cathode block 2 using standard equipment and manufacturing procedures as used for prior art slits 3.

[0039] Nos catodos 1 que compreendem tais blocos de catodos 4 da invenção e as barras coletoras de aço 2 da técnica anterior, as linhas de campo elétrico 10, isto é a corrente elétrica, são atraídas afastando das bordas de bloco laterais na direção do centro de bloco C assim provendo uma distribuição de corrente mais uniforme ao longo do comprimento de bloco de catodo 4.In the cathodes 1 comprising such cathode blocks 4 of the invention and the prior art steel collecting bars 2, the electric field lines 10, ie the electric current, are drawn away from the side block edges towards the block center C thus providing a more uniform current distribution along the cathode block length 4.

[0040] A figura 5 apresenta um catodo 1 de acordo com esta invenção. O bloco de catodo 4 tem uma fenda de barra coletora 3 não-plana de acordo com esta invenção, como mostrado na figura 3. A barra coletora de aço 2 tem uma forma triangular ajustada ao desenho da fenda 3. A espessura da barra coletora 2 é crescente na face que fa-ceia a face de topo de fenda 3 na direção de seu centro C.Figure 5 shows a cathode 1 according to this invention. Cathode block 4 has a non-flat pickup bar slot 3 according to this invention as shown in Figure 3. Steel pickup bar 2 has a triangular shape fitted to the slot design 3. The thickness of pickup bar 2 is crescent on the face that faces the slit top face 3 towards its center C.

[0041] Apesar de apresentada em forma triangular, a barra coletora 2 pode também ter por exemplo uma forma semicircular ou semi-elíptica. A forma pode compreender um ou mais degraus.Although presented in triangular form, the collecting bar 2 may also have for example a semicircular or semi-elliptical shape. The shape may comprise one or more steps.

[0042] Nos catodos 1 que compreendem os blocos de catodo 4 da invenção assim como as barras coletoras de aço 2 da invenção, as linhas de campo elétrico 10, isto é, a corrente elétrica, são atraídas afastando das bordas de bloco laterais na direção do centro de bloco C assim provendo uma distribuição de corrente mais uniforme ao longo do comprimento de bloco de catodo 4.In the cathodes 1 comprising the cathode blocks 4 of the invention as well as the steel collecting bars 2 of the invention, the electric field lines 10, ie the electric current, are drawn away from the side block edges in the direction block center C thus providing a more uniform current distribution along the cathode block length 4.

[0043] A figura 6 apresenta uma modalidade de um catodo 1 de acordo com esta invenção, como descrito na figura 5. Nesta modalidade, a barra coletora de aço 2 não consiste em uma única peça mas esta compreende uma barra coletora plana 2 da técnica anterior que tem diversas placas de aço 9 presas a esta na face que faceia a face de topo da fenda 3. Deste modo, a forma total não-plana da barra coletora 2 pode ser executada sem a necessidade de prover uma barra coletora não-plana 2 como uma peça única.Figure 6 shows an embodiment of a cathode 1 according to this invention as described in Figure 5. In this embodiment, the steel pickup bar 2 does not consist of a single piece but it comprises a flat pickup bar 2 of the art. which has several steel plates 9 attached thereto on the face facing the top face of the slot 3. Thus, the total non-flat shape of the collecting bar 2 can be performed without the need to provide a non-flat collecting bar 2 as one piece.

[0044] A largura das placas de aço 9 é similar àquela da barra co- letora 2. A espessura das placas de aço pode ser escolhida de acordo com o projeto assim como as considerações de fabricação. O comprimento das placas de aço 9 diminui escalonadamente de acordo com o projeto assim como as considerações de fabricação. As bordas das placas de aço 9 podem ser arredondadas ou inclinadas.The width of the steel plates 9 is similar to that of the collecting bar 2. The thickness of the steel plates can be chosen according to design as well as manufacturing considerations. The length of steel plates 9 decreases steeply according to design as well as manufacturing considerations. The edges of the steel plates 9 may be rounded or slanted.

[0045] Pelo menos uma tal placa de aço 9 está presa na barra coletora 2.At least one such steel plate 9 is secured to the collecting bar 2.

[0046] As placas de aço 9 estão fixas na barra coletora 2 assim como umas nas outras por soldagem, colagem, porcas e parafusos ou qualquer outro método comumente conhecido.The steel plates 9 are fixed to the collecting bar 2 as well as each other by welding, gluing, nuts and bolts or any other commonly known method.

[0047] De modo a executar a expansão térmica da barra coletora de aço assim como as placas de aço e assegurar um contato elétrico apropriado, é uma modalidade preferida desta invenção colocar uma película de grafite resiliente entre as peças de aço individuais.In order to perform thermal expansion of the steel collecting bar as well as the steel plates and to ensure proper electrical contact, it is a preferred embodiment of this invention to place a resilient graphite film between the individual steel parts.

[0048] Ao invés de aço outros materiais podem ser utilizados, tal como o cobre.Instead of steel other materials may be used, such as copper.

[0049] Está também dentro do escopo desta invenção fixar duas barras coletoras curtas 2 simetricamente a um bloco de aço que é mais alto do que as barras coletoras 2 e utilizar tal barra coletora 2 montada para fabricar um catodo 1 de acordo com esta invenção.It is also within the scope of this invention to fix two symmetrically short manifolds 2 to a steel block that is higher than the manifolds 2 and to use such assembled manifolds 2 to manufacture a cathode 1 according to this invention.

[0050] A figura 7 mostra uma vista de topo tridimensional esque-mática de um catodo 1 de acordo com esta invenção que apresenta o catodo da invenção descrito na figura 6. Nesta figura, o ferro fundido 5 não está mostrado para simplicidade. A figura 7 ao contrário mostra a preparação do catodo 1 antes do ferro fundido 5 ser vazado dentro da fenda de barra coletora 3. Nesta modalidade, a barra condutora 2 esta equipada com quatro placas de aço 9, assim provendo uma forma total quase triangular da barra coletora 2.Figure 7 shows a schematic three-dimensional top view of a cathode 1 according to this invention showing the cathode of the invention described in figure 6. In this figure, cast iron 5 is not shown for simplicity. Figure 7 instead shows the preparation of cathode 1 before cast iron 5 is poured into the collecting bar slot 3. In this embodiment, the conductor bar 2 is equipped with four steel plates 9, thus providing an almost triangular total shape of the collecting bar 2.

[0051] Afigura 8 é uma vista em corte transversal esquemática de uma célula eletrolítica para a produção de alumínio com um catodo 1 de acordo com esta invenção, como mostrado na figura 6. Em comparação com a técnica anterior (figura 1), as linhas de distribuição de corrente de célula 10 distribuídas mais uniformemente através do comprimento do catodo 1 devido à forma da invenção da fenda de barra coletora 3 e da barra coletora 2.Figure 8 is a schematic cross-sectional view of an electrolytic cell for the production of aluminum with a cathode 1 according to this invention as shown in Figure 6. Compared to the prior art (Figure 1), the lines of cell current distribution 10 more evenly distributed across the length of cathode 1 due to the shape of the invention of the collecting bar slot 3 and the collecting bar 2.

[0052] Apesar dos desenhos mostrarem os blocos de catodo 4, ou suas partes, tendo uma única fenda de barra coletora 3, esta invenção aplica-se a blocos de catodo 4 com mais do que uma fenda de barra coletora 3 no mesmo modo.Although the drawings show cathode blocks 4, or parts thereof, having a single pickup bar slot 3, this invention applies to cathode blocks 4 with more than one pickup bar slot 3 in the same mode.

[0053] Apesar dos desenhos mostrarem os catodos 1 com barras coletoras únicas 2 em cada fenda de barra coletora, esta invenção aplica-se a catodos 1 com mais do que uma barra coletora 2 dentro de cada fenda de barra coletora 2 do mesmo modo. Alternativamente, duas barras coletoras curtas 2 podem ser inseridas em uma fenda de barra coletora 3 e unidas no centro C do bloco de catodo 4, ambas as barras coletoras 2 tendo cada uma pelo menos uma placa de aço fixa a estas na extremidade que faceia a outra barra coletora 2.Although the drawings show cathodes 1 with single pickup bars 2 in each pickup bar slot, this invention applies to cathodes 1 with more than one pickup bar 2 within each pickup bar slot 2 in the same manner. Alternatively, two short take-up bars 2 may be inserted into a take-up bar slot 3 and joined at the center C of the cathode block 4, both take-up bars 2 each having at least one steel plate attached thereto at the end facing each other. another collecting bar 2.

[0054] A invenção está adicionalmente descrita pelos seguintes exemplos: EXEMPLO 1 [0055] 100 partes de coque de óleo com um tamanho de grão de 12 pm até 7 mm foram misturadas com 25 partes a 150 °C em um misturador de lâmina por 40 minutos. A massa resultante foi extrudada em blocos das dimensões 700 x 500 x 3400 mm (largura x altura x comprimento). Estes assim denominados blocos verdes foram colocados dentro de um forno de anel, cobertos por coque metalúrgico e aquecidos a 900 °C. Os blocos carbonizados resultantes foram então aquecidos a 2800 °C em um forno de grafitação no sentido do comprimento. Posteriormente, os blocos de catodo brutos foram aparados para as suas dimensões finais de 650 x 450 x 3270 mm (largura x altura x comprimento). Duas fendas de barra coletora de 135 mm de largura e uma profundidade que cresce de uma profundidade de 165 mm nas bordas laterais até 200 mm de profundidade no centro do bloco foram cortadas de cada bloco. Posteriormente, barras coletoras de aço convencionais foram montadas dentro das fendas. Uma conexão elétrica foi feita no modo convencional vazando ferro fundido líquido dentro do espaço entre as barras coletoras e o bloco. Os catodos foram colocados dentro de uma célula de eletrólise de alumínio. A distribuição de densidade de corrente resultante foi comparada com aquela dos catodos da técnica anterior e provada ser mais homogênea. EXEMPLO 2 [0056] Blocos de catodo aparados para as suas dimensões finais foram fabricados de acordo com o exemplo 1. Duas fendas de barra coletora de 135 mm de largura e uma profundidade que aumenta de 165 mm de profundidade nas bordas laterais até 200 mm de facilidade no centro do bloco foram cortadas de cada bloco.The invention is further described by the following examples: EXAMPLE 1 100 parts of oil coke with a grain size of 12 µm to 7 mm were mixed with 25 parts at 150 ° C in a slide mixer by 40 ° C. minutes The resulting mass was extruded into blocks of dimensions 700 x 500 x 3400 mm (width x height x length). These so-called green blocks were placed inside a ring oven, covered with metallurgical coke and heated to 900 ° C. The resulting carbonized blocks were then heated to 2800 ° C in a lengthwise graphite furnace. Subsequently, the raw cathode blocks were trimmed to their final dimensions of 650 x 450 x 3270 mm (width x height x length). Two 135 mm wide collecting bar slots and a depth growing from a depth of 165 mm at the side edges to a depth of 200 mm at the center of the block were cut from each block. Subsequently, conventional steel collecting bars were mounted inside the slots. An electrical connection was made in the conventional manner by casting liquid cast iron into the space between the collecting bars and the block. The cathodes were placed inside an aluminum electrolysis cell. The resulting current density distribution was compared to that of the prior art cathodes and proved to be more homogeneous. EXAMPLE 2 Trimmed cathode blocks to their final dimensions were fabricated according to Example 1. Two 135 mm wide collecting bar slots and a depth increasing from 165 mm deep at the side edges up to 200 mm in length. ease in the center of the block were cut from each block.

[0057] Duas barras coletoras de aço de acordo com esta invenção foram fabricadas soldando uma única placa de aço de 115 mm de largura, 40 mm de espessura e 800 mm de comprimento centradamente a uma barra coletora de aço de 115 mm de largura e 155 mm de altura no seu centro na face que eventualmente faceia a face de topo de fenda.Two steel collecting bars according to this invention were fabricated by welding a single 115 mm wide, 40 mm thick and 800 mm long steel plate centrally to a 115 mm wide and 155 mm steel collecting bar. mm high at its center on the face which eventually faces the slit top face.

[0058] Tais duas barras coletoras de aço assim fabricadas foram montadas dentro das fendas. Uma conexão elétrica foi feita no modo convencional vazando o ferro fundido líquido dentro do espaço entre as barras coletoras e o bloco. Os catodos foram colocados dentro de uma célula de eletrólise de alumínio. A distribuição de densidade de corrente resultante foi comparada com aquela dos catodos da técnica anterior e provada ser mais homogênea.[0058] Such two steel collecting bars thus fabricated were mounted within the slots. An electrical connection was made in the conventional way by casting the liquid cast iron into the space between the collecting bars and the block. The cathodes were placed inside an aluminum electrolysis cell. The resulting current density distribution was compared to that of the prior art cathodes and proved to be more homogeneous.

[0059] Tendo assim descrito as modalidades presentemente prefe- ridas da invenção, deve ser compreendido que a invenção pode ser de outro modo incorporada sem afastar-se do espírito e do escopo das reivindicações seguintes.Having thus described the presently preferred embodiments of the invention, it should be understood that the invention may be otherwise incorporated without departing from the spirit and scope of the following claims.

LISTAGEM DE REFERÊNCIA (1) catodo (2) barra coletora feita de aço (3) fenda de barra coletora (4) bloco de catodo de carbono ou de grafite (5) ferro fundido (6) bloco metálico de alumínio (7) banho de eletrólito fundido (8) anodo (9) placa de aço (10) linhas de distribuição de corrente de célula REIVINDICAÇÕESREFERENCE LIST (1) cathode (2) pickup bar made of steel (3) pickup bar slot (4) carbon or graphite cathode block (5) cast iron (6) aluminum metal block (7) fused electrolyte (8) anode (9) steel plate (10) cell current distribution lines

Claims

1. Aluminum electrolysis cell cathode (1) comprising a carbon or graphite cathode block (4) with a collecting bar slot (3), which receives one or two steel collecting bars (2) ), characterized in that the depth of the slot (3) is higher in the center (C) in the longitudinal direction of the slot (3) than on both side edges of the cathode block (4).

Cathode according to Claim 1, characterized in that the collecting bar slot (3) has a triangular, semicircular or semi-elliptical shape.

Cathode according to claim 1 or 2, characterized in that the collecting bar slot (3) comprises one or more steps.

Cathode according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the collecting bar slot (3) has an initial flat top face on both side block edges extending from 10 to 1000 mm. of each edge.

Cathode according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the thickness of one or two collecting bars (2) is higher in the center C than on both side edges of the cathode block (2). 4).

Cathode according to Claim 5, characterized in that the thickness of one or two collecting bars (2) is increased exclusively on the face facing the top face of the slot (3).

Cathode according to Claim 5 or 6, characterized in that the one or the two collecting bars (2) have a triangular, semicircular or semi-elliptical shape.

Cathode according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the thickness of one or the collecting bars (2) comprises increases of one or more steps.

Cathode according to any one of claims 5 to 8, characterized in that one or both collecting bars (2) have at least one steel plate (9) attached thereto.

Cathode according to claim 9, characterized in that a resilient graphite film is disposed between at least one steel plate (9) and a steel collecting bar (2) as well as between each steel plate (9) subsequently secured.

Cathode according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it has more than one collecting bar slot (3).

Method for making cathodes (1) for aluminum electrolysis cells as defined in any one of claims 1 to 11, characterized by the steps of - making an outer dimension carbon or graphite cathode block (4) standard, - machine at least one busbar slot (3) with increasing depth towards the center of cathode block C, - fit at least one steel busbar (2) into each slot (3).

Method according to claim 12, characterized in that at least one steel collecting rod (2) of increasing thickness is mounted on the face facing the upper face of the collecting bar slot (3) towards its center C within. each of the slots (3).

Aluminum electrolysis cells, characterized in that they contain cathodes (1) as defined in any one of claims 1 to 11.