BRPI0716951A2 - Método para operar uma célula eletrolítica, e, célula eletrolítica - Google Patents

Description

"MÉTODO PARA OPERAR UMA CÉLULA ELETROLÍTICA, E, CÉLULA ELETROLÍTICA"

A presente invenção diz respeito a uma célula eletrolítica e a um método para operar a mesma. Em particular, a invenção diz respeito a distribuição de corrente elétrica em uma célula do tipo Hall-Héroult para produção de alumínio. CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

Para um bom entendimento da invenção, deve-se primeiramente lembrar que a produção industrial de alumínio é feita por eletrólise em células, que são conectadas eletricamente em série, com uma solução de alumina em criolita fundida levada a uma temperatura tipicamente entre 940 e 980 °C, pelo efeito do aquecimento da corrente que passa pela célula.

Cada célula é constituída por um recipiente de aço em forma de paralelepípedo isolado que suporta um catodo contendo blocos de carbono pré-cozidos nos quais existem algumas hastes de aço seladas conhecidas como barras coletoras de corrente do catodo, que conduzem a corrente para fora da célula, por tradição aproximadamente 50 % de cada um dos lados maiores da célula. As barras coletoras de corrente do catodo são conectadas no sistema de barramento, que servem para conduzir a corrente dos catodos para os anodos da célula seguinte. O sistema do anodo composto de carbono, aço e alumínio, é fixado em uma assim denominada "armação do anodo", com hastes do anodo ajustáveis na altura e conectadas eletricamente nas hastes do

catodo da célula anterior. O eletrólito, que é a solução de alumina em uma mistura de

criolita fundida a 940-980 0C, fica localizado entre o sistema do anodo e o catodo. O alumínio produzido é depositado na superfície do catodo. Uma camada de alumínio líquido é mantida permanentemente na base do cadinho do catodo. Como o cadinho é retangular, a armação do anodo que suporta os anodos é no geral paralela aos seus lados maiores, ao passo que as hastes do catodo são paralelas aos seus lados menores, conhecidos como cabeças de célula.

O campo magnético principal na célula é criado pelo fluxo de corrente no anodo e no sistema do catodo. Todos outros fluxos de corrente darão perturbações neste campo principal criado.

As células são arranjadas em fileiras e podem ser dispostas transversalmente em uma orientação lado a lado; seus lados menores ficam paralelos ao eixo geométrico da linha do cadinho. Alternativamente, dispostas longitudinalmente em uma orientação extremidade a extremidade, seus lados maiores são paralelos ao eixo geométrico do cadinho. Normalmente, um cadinho é representado por duas fileiras de células. As células são eletricamente conectadas em série, as extremidades da série sendo conectadas nas saídas positiva e negativa de uma subestação de retificação e controle elétrico. A corrente elétrica que passa pelos vários elementos condutores, anodo, eletrólito, metal líquido, catodo e condutores de conexão cria grandes campos magnéticos. Esses campos, juntamente com a corrente elétrica no eletrólito e metal líquidos, formam a base do comportamento Magneto Hidro Dinâmico (MHD) no eletrólito e no metal líquido contido no cadinho. As assim chamadas forças de LaPlace, que criam fluxo de eletrólito e metal, são também prejudiciais para operação estável (estabilidade) da célula. Adicionalmente, o desenho da célula e sua configuração de barra coletora também afetam como é distribuída a corrente elétrica que passa pela célula. Deve-se entender que a invenção pode ser implementada em células arranjadas lado a lado, bem como extremidade a extremidade.

Comumente, a distribuição de corrente no sistema do anodo é basicamente realizada pelo arranjo dos anodos na célula, bem como pelo desenho da configuração do toco do suspensor do anodo e suas interfaces com o anodo individual. Quando vai para o sistema do catodo, ele é normalmente projetado de uma maneira onde as barras coletoras são embutidas em blocos de catodo individuais de uma maneira horizontal. Esta solução tecnológica tem demonstrado ser muito confiável com relação a problemas com vazamentos da massa fundida ou banho através do sistema do catodo. Adicionalmente, as barras coletoras serão protegidas pelo material do catodo em volta (material a base de carbono) que é altamente resistente a altas temperaturas e ataques corrosivos. Comumente, os barramentos coletam a corrente fora da proteção do catodo. Um inconveniente desta técnica anterior é que a distribuição de corrente no sistema do catodo será mais intensa na periferia dos blocos do catodo do que em qualquer outro lugar. Adicionalmente, tecnologia baseada em embutimento homogêneo das barras coletoras em fendas formadas no lado de baixo dos blocos do catodo fará com que a distribuição de corrente ao longo da barra coletora para dentro em direção à outra extremidade do bloco do catodo diminua bem proporcionalmente com a distância do coletor da barra coletora. Portanto, corrente deve vantajosamente ser distribuída de uma maneira pré-defmida, e em áreas mais apropriadas do sistema do catodo, para obter uma distribuição de corrente uniforme. COLOCAÇÃO DO PROBLEMA

O desenho da distribuição de corrente do catodo e do sistema de barramento correspondente para células de produção de alumínio é reconhecido como representativo das atividades chaves mais qualificadas no desenvolvimento de uma tecnologia de redução de alumínio competitiva. O projetista deve ter vários graus de liberdade no processo de

desenvolvimento de um sistema de catodo ideal, usando conhecimento para selecionar uma configuração (topologia) que pode resultar em uma distribuição de corrente ideal.

É reconhecido que, se corrente puder ser derivada do sistema do catodo em pontos ou áreas pré-selecionados, assistido por cálculos e simulações, deve ser possível melhorar a distribuição de corrente no sistema do catodo. Entretanto, isto implicará que o sistema do catodo deve ser penetrado pelo menos parcialmente de baixo para cima e preferivelmente ser conectado nas barras coletoras de corrente horizontais, por meio de condutores ou plugues de corrente. Até hoje não existe nenhuma solução comprovada para a realização de um conceito como este com saídas de corrente verticais na base do catodo. TÉCNICA ANTERIOR

Da EP 0 345 959 Al é conhecido para distribuir a corrente coletada de uma célula eletrolítica através de duas barras de aço de catodo e através da base da célula via condutores e via condutores flexíveis para barramentos coletores de corrente.

NO-B-165203 descreve em sua Fig. 1 uma célula eletrolítica com saída de corrente catódica tanto em seus lados e fundo.

A patente US 3.470.083, depositada em outubro de 1964, revela uma base do catodo de célula eletrolítica com condutores de corrente inseridos verticalmente. Bicos cilíndricos são inseridos em furos verticais do catodo, embutidos por um material vazado. O material sugerido pode consistir tanto em uma massa carbonácea quanto pode ser um metal vazado solidificado, tal como ferro. A solução apresentada nesta patente busca solucionar os problemas relacionados com barras coletoras cmvencioriais, entre aquelas causadas por diferente expansão térmica do material de carbono e os trilhos de femo (barras coletoras) causando consideráveis tensões mecânicas que levam à formação de trincas transversais nos blocos de carbono. Assim, esta solução é baseada na substituição das barras coletoras horizontais por meio de uma pluralidade de bicos de diâmetro relativamente pequeno. No momento em que o pedido e patente referido foi depositado, uma célula que exige corrente de 100.000 amperes foi definida como uma grande célula Atualmente, a célula será normalmente definida como grande se ela exigir aproximadamente 2,5 vezes esse valor de amperagem. Portanto, por causa da área relativamente pequena representada pelos bicos, haverá uma densidade de corte alta proibitiva entre cada bico individual e o catodo, mesmo que uma quantidade substancial de bicos seja aplicada Adicionalmente, esta publicação não define como arranjar os bicos de uma maneira ideal para obter uma distribuição de corrente uniforme, sem ser um padrão regular simétrico mostrado nas figuras 4-6 envolvendo a aplicação de 132 bicos. Ainda mais, por causa das forças termicamente induzidas e expansão / contração, a solução de usar bicos arranjados verticalmente de acordo com esta publicação apresentará maior resistência, em virtude da área de transferência e de corrente limitada supramencionada e das altas densidades de corrente de pontos correspondentes. Os furos arranjados verticalmente nos blocos de carbono podem servir como pontos de enfraquecimento onde pode ocorrer a formação de trinca, e o aumento do número de bicos para atender a demanda de corrente de células grandes atuais irá piorar ainda mais esta situação.

De acordo com a presente invenção, os inconvenientes citados podem ser evitados. A presente invenção inclui a aplicação de condutores de corrente verticais de um desenho otimizado. Adicionalmente, os condutores de corrente (saídas de corrente) podem vantajosamente ser eletricamente conectados nos elementos de barra coletora horizontal que podem estender-se parcial ou completamente através do bloco do catodo. Neste caso, sua(s) extremidade(s) mais externa(s) pode(m) ser conectada(s) no sistema de barramento para a célula. O desenho cônico preferido (em forma de cunha ou cônica) dos condutores de corrente tem mostrado ser ideal com relação à expansão e dobramento dos elementos de barramento, que normalmente é de um metal condutor de corrente. O ângulo da saída cônica é escolhido com base em considerações da resistência mecânica, queda de tensão e perda de calor, e é preferivelmente na faixa de 5-15 0C em relação ao plano vertical. A distribuição de corrente catódica preferida dependerá da

característica do sistema de barramento. Ela pode ser bastante diferente para adaptar a invenção a sistemas de barramento existentes, por um lado, ou para um novo projeto de sistema de barramento, por outro lado. Conseqüentemente, a quantidade preferida de corrente conduzida pelas saídas verticais pode ser na faixa de 20-100 %, com 100 % representando um desenho apenas com saídas verticais.

A quantidade de condutores de corrente pode ser relativamente baixa, por exemplo, em uma modalidade aplicando uma quantidade normalmente usada de barras coletoras horizontais. De acordo com a presente invenção, os efeitos de MHD em uma célula eletrolítica podem ser melhorados, e é possível simplificar o desenho do barramento da dita célula reduzindo-se seu peso. Em decorrência disto, os custos de investimento podem ser reduzidos. De acordo com a presente invenção, definida nas

reivindicações anexas, um sistema de distribuição de corrente de catodo otimizada pode ser conseguido, que supera os inconvenientes principais dos desenhos da técnica anterior. Adicionalmente, as reivindicações anexas definem um método para operar uma célula com melhor distribuição de corrente do catodo.

A presente invenção será a seguir descrita pelas figuras e exemplos, em que:

A figura 1 revela um desenho de barra coletora de uma célula eletrolítica que tem saída de corrente na sua parte inferior; A figura 2 revela detalhes relativos a saídas de barras coletoras

verticais;

As figuras 3a-e revelam várias configurações de arranjos de barras coletoras.

O propósito dos desenhos descritos é obter uma baixa queda de tensão no catodo e uma distribuição de corrente uniforme ou plana na superfície do bloco do catodo. O desenho da barra coletora correspondente também dará a possibilidade de um sistema de barramento simplificada (menor peso e assim mais barato) comparado com um desenho de barra coletora convencional. Um fator chave para o sucesso são os detalhes em torno das saídas de corrente verticais. Durante operação, o bloco do catodo dobrará e levantará. As barras coletoras verticais têm então também que poder deslizar para cima, caso contrário as saídas verticais se arrancarão das barras coletoras horizontais.

De acordo com a figura 1, está mostrado um desenho de barra coletora de uma célula eletrolítica 1 com arranjos de anodo 2, 3 e um bloco de catodo 4. A figura revela saídas de corrente na parte inferior da célula. Conforme mostrado nesta modalidade da invenção, a célula pode ter tanto saídas de corrente horizontais 5,5' quanto verticais 6, 6'.

De acordo com a figura 2, são revelados detalhes de saídas de barra coletora vertical. Como mostrado, a saída tem uma saída vertical 25 para ser conectada no sistema de barramento da célula (não mostrado). A saída vertical 25 é conectada a uma parte do coletor horizontal 23 que é embutida no bloco do catodo 4. As partes vertical e horizontal podem ser feitas de uma peça, por exemplo, por fundição, ou podem ser produzidas de duas partes separadas interconectadas por solda ou métodos de união similares, que garante boas propriedades de condução elétrica. As partes podem consistir em aço ou qualquer outro material apropriado.

Como mostrado na figura, a saída vertical está penetrando na parte inferior da estrutura do catodo. A estrutura do catodo compreende (a partir de cima) um bloco do catodo 4, duas ou mais camadas de tijolos 20-21 com as propriedades térmicas e químicas apropriadas, e o envoltório do cadinho 22, normalmente feita de chapas de aço. O envoltório do cadinho pode ter uma seção abaixada na região da saída (não mostrada). A saída vertical penetra em várias camadas por meio de um furo ou canal. No lado de fora da saída vertical, que pode ter uma forma cônica, é arranjada uma camada protetora de um material carbonáceo 27 com boa resistência ao eletrólito e produtos da reação do eletrólito. O espaço entre a saída vertical protegida e a estrutura do catodo pode ser cheia com um material moldável 26 com boa resistência ao ataque químico pelo eletrólito e produtos de reação do eletrólito.

Um recurso importante relativo ao desenho da saída vertical é que a saída de corrente é encerrada pela camada carbonácea 27 que ajuda o deslizamento vertical da saída dentro do furo ou canal cheio com material moldável.

Na figura 3a-e estão revelados vários desenhos de barras

coletoras.

Na figura 3 a, está mostrado esquematicamente um bloco do catodo 4. São reveladas três barras coletoras 30, 32 e 32 embutidas no bloco do catodo 4. Existem duas saídas horizontais 30', 3 Γ e uma saída vertical 33.

Na figura 3b estão mostradas duas barras coletoras 35, 36 embutidas em um bloco do catodo 4. As barras coletoras têm saídas horizontais 35' e 36'. Além do mais, a barra coletora 36 tem uma saída vertical 37.

Na figura 3c, estão mostradas quatro barras coletoras 40, 41, 43 e 45 embutidas em um bloco de carbono 4. As barras coletoras 45 e 40 têm uma saída horizontal 45' e 40', respectivamente. As barras coletoras 41 e 43 têm saídas verticais 42 e 44, respectivamente.

Na figura 3 d, está mostrada apenas uma barra coletora 50 embutida em um bloco de carbono 4. A barra coletora tem uma saída horizontal 50' e uma saída vertical 51.

A figura 3e revela um desenho de barra coletora onde uma barra coletora 60 é embutida em um bloco do catodo 4. A barra coletora 60 tem duas saídas horizontais 61', 61" e uma saída arranjada centralmente 62.

Deve-se entender que combinações e arranjos adicionais de saídas de barras coletoras horizontais e verticais podem ser obtidas pelos preceitos da presente invenção.

Pelo arranjo supramencionado, é possível arranjar as barras coletoras completa ou parcialmente em cada bloco de catodo individual de uma maneira que combina saídas de corrente vertical e horizontal de uma maneira vantajosa com relação a se conseguir uma distribuição de corrente uniforme na estrutura do catodo da célula.

A quantidade de corrente que é distribuída através das saídas

individuais pode ser pré-calculada e otimizada, assistida por software de projeto e experimentos de verificação.

Claims (16)

1. Método para operar uma célula eletrolítica, onde corrente elétrica é conduzida para a célula por meio de um arranjo de anodo arranjado na parte superior da célula, através de um eletrólito eletricamente condutor e adicionalmente através de um catodo substancialmente horizontal (4), caracterizado pelo fato de que a corrente elétrica é conduzida para fora da célula por pelo menos uma saída de corrente arranjada de forma substancialmente vertical (25) que tem uma seção afilada.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente elétrica é coletada no catodo por uma parte interna que estende-se horizontalmente (23) da dita saída de corrente (25).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catodo compreende pelo menos uma barra coletora integrada nele, onde corrente é conduzida para fora do catodo por pelo menos uma extremidade horizontal da dita barra coletora, em que a quantidade de corrente conduzida para fora do catodo na pelo menos uma saída vertical é uma proporção pré-calculada daquela da extremidade horizontal da barra coletora.

4. Método de acordo com a reivindicação 1-3, caracterizado pelo fato de que a quantidade de corrente conduzida para fora da saída vertical é na faixa de 20-100 % da corrente total, onde 100 % representam um desenho com saídas apenas verticais.

5. Célula eletrolítica que compreende uma estrutura de catodo substancialmente horizontal de um material eletricamente condutor e adicionalmente tendo condutores de corrente integrados tais como barras coletoras horizontais embutidas nela, a célula compreendendo adicionalmente um sistema de barramento, caracterizada pelo fato de que a dita estrutura do catodo compreende pelo menos uma saída de corrente elétrica substancialmente vertical (25) conectada no sistema de barramento onde dita saída de corrente tem uma seção afilada.

6. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a saída é provida com pelo menos uma porção de condução de corrente horizontal (23) que fica em contato elétrico com o material do catodo (4).

7. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma porção condutora de corrente horizontal é embutida em uma fenda pré-formada no material do catodo por um material de pasta ou similar.

8. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma porção condutora de corrente horizontal salienta-se para fora do material de catodo, e é adicionalmente conectada eletricamente no sistema de barramento.

9. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a porção condutora de corrente horizontal salienta-se para fora do material do catodo com duas extremidades, as ditas ambas extremidades sendo eletricamente conectadas no sistema de barramento.

10. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que a porção condutora de corrente horizontal salienta-se para fora do material do catodo em uma menor extensão, permitindo assim a fácil remoção e troca do catodo no envoltório do catodo.

11. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a porção condutora de corrente horizontal é conectada no sistema de barramento por meio de acoplamentos elétricos flexíveis.

12. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a conexão entre o sistema de barramento e a porção condutora de corrente horizontal situa-se dentro do envoltório do catodo.

13. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma saída de corrente elétrica vertical é pelo menos parcialmente encerrada por uma camada carbonácea.

14. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5 ou 13, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma saída de corrente elétrica vertical é pelo menos parcialmente embutida em um material moldável com boa resistência a ataque químico.

15. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a seção afilada é de uma forma cônica, preferivelmente com um ângulo na faixa de 5-10° em relação ao plano vertical.

16. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a seção afilada tem forma de cunha.