BRPI0908070B1 - eletrodo para uso em um processo de eletrólise para produção de alumínio - Google Patents

Abstract

eletrodo para uso em um processo de eletrólise para produção de alumínio um eletrodo para uso em um processo de eletrólise para produção de alumínio, o eletrodo (3, 20) compreende um corpo de material carbonáceo calcinado conectado com um condutor de corrente elétrica (1, 21). o condutor de corrente é encastrado em um recesso em dito corpo carbonáceo. o recesso é mais largo que o condutor e é preenchido cheio com um material condutivo elétrico. o material condutivo elétrico compreende partículas condutivas (4, 4'). o método se refere à produção de tal um eletrodo e recuperação do material condutivo depois que o eletrodo estiver gasto.

Description

ELETRODO PARA USO EM UM PROCESSO DE ELETRÓLISE PARA PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO [0001] A presente invenção se refere a um eletrodo e um método de produzir mesmo. Em particular a invenção relaciona a eletrodos pré-cozidos para produção eletrolítica de alumínio, e pode ser aplicado tanto ao anodo (eletrodo positivo) quanto ao catodo (eletrodo negativo).

[0002] Geralmente, são fixados anodos pré-cozidos a pinos que fazem parte de um suspensor de anodo. O anodo tem furos pré-formados que permitem que os pinos entrem neles. A fixação entre o pino e o anodo é executada vertendo ferro fundido líquido no espaço anular entre cada pino individual e o furo correspondente no anodo.

[0003] Similarmente, para a fixação de barras coletoras em blocos de catodo existem rasgos pré-formados nos blocos que permitem que as barras entrem neles. O espaço entre a parede dos rasgos e as barras está cheio com ferro fundido líquido.

[0004] O uso de ferro fundido líquido tem algumas implicações com respeito a investimentos, por exemplo fornos que podem fundir o ferro fundido, e um sistema correspondente distribuição e vazamento. Ainda mais, antes de vazar o ferro fundido no recesso no catodo, o eletrodo e as barras coletoras devem ser pré-aquecidos devido às grandes diferenças de temperaturas entre o metal líquido e o eletrodo (temperatura ambiente). Para o anodo, os pinos são, em algumas tecnologias, pré-aquecidos. Outras tecnologias envolvendo incrustação das barras coletoras em uma pasta de contato, resulta em vapores ou emissões que serão exauridos sob o préaquecimento ou aquecimento do catodo.

[0005] Um anodo pré-cozido é normalmente gasto após aproximadamente 30 dias na célula devido ao consumo do material .de carbono de que ele consiste. Ele deve ser substituído então. O anodo gasto (pontas) é transportado a uma instalação onde os pinos do suspensor de anodo

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 7/54 / 11 são limpos removendo material de resto do anodo junto com de resíduos de ferro fundido. Geralmente, isto é executado pelo uso de ferramentas mecânicas de rebordear.

[0006] As operações para montagem de um anodo novo e remoção das pontas de um anodo gasto são demoradas e caras. O mesmo vai se aplicar para o bloco de catodo mais duradouro onde as barras coletoras e o material de carbono têm que ser separados antes de descarte ou reciclagem.

[0007] US 4.574.019 se refere a um processo para fixar blocos de anodo a um dispositivo de suspensão de anodo pelo uso de uma massa adesiva. A massa deve ser mecanicamente forte e ter boas propriedades de condução elétrica menos a temperaturas entre 900°C e 1000°C. A massa adesiva pode ser uma mistura de sólidos, um ligante e um endurecedor. Os sólidos podem ser representados através de pó de metal tal como ferro, cobre ou alumínio. O tamanho de partícula do metal deve ser de 1 mm no máximo. Este tipo de massa de contato é descrito ainda em EP 0 027 534.

[0008] De acordo com a presente invenção, são aplicadas partículas elétricas condutivas entre o condutor de corrente elétrica e o material carbonáceo calcinado no eletrodo como um material de enchimento. O uso de partículas condutivas elétricas sem uma matriz de endurecimento, facilita a reutilização das partículas condutivas. Ainda mais, é observado que a resistência elétrica em um catodo onde a invenção é aplicada é melhorada com referência à pasta de contato comumente usada. Resultados melhorados semelhantes foram medidos para um anodo de acordo com a invenção.

[0009] Estas e outras vantagens serão obtidas pela invenção, como definida nas reivindicações apensas.

[00010] A presente invenção vai ser na sequência descrita ainda mais por figuras e exemplos onde:

A fig. 1 descreve uma vista em corte transversal através de um pino encastrado em um furo em um anodo com um primeiro dispositivo de

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 8/54 / 11 fixação;

A fig. 2 descreve uma vista em corte transversal através de um pino encastrado em um furo em um anodo com um segundo dispositivo de fixação;

A fig.3 descreve uma vista em corte transversal através de um garfo pronto ser encastrado em um furo em um anodo, um terceiro dispositivo de fixação;

A fig. 4a descreve um elemento de catodo de acordo com a presente invenção;

A fig. 4b descreve um o elemento de catodo na fig. 4a, a medida de corrente e voltagem ajustada;

A fig. 5 descreve em um diagrama resistência periodicamente medida (pohm) entre a barra coletora e o material de carbono em um catodo;

As figs. 6a-b descrevem um anodo com um quarto dispositivo de fixação, pronto ser montado;

As figs. 7a-b descrevem o anodo das figs. 6a-b em uma posição de fixação intermediária;

A fig. 8 descreve o anodo das figs. 6a-b em sua posição de fixação final;

A fig. 9 descreve em uma vista de extremidade uma segunda modalidade de um elemento de catodo de acordo com a presente invenção; e

A fig. 10 descreve a queda de voltagem em uma junta de ferro fundido convencional e a junta como mostrada na fig. 8.

[00011] Como mostrado na fig. 1, lá é descrito um corte transversal através dum pino 1 encastrado em um furo 2 em um anodo 3. O furo é mais largo do que as dimensões correspondentes do pino e o espaço anular entre o pino e o furo é preenchido com partículas ou sólidos condutores elétricos 4, que são bolas de aço nesta modalidade. Uma espiga 5 ou similar penetra o pino através de um furo 6 e entra ainda mais em um furo 7 no anodo 3, para

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 9/54 / 11 fixar mecanicamente as partes entre si. Alternativamente, a espiga pode ser substituída por uma cavilha rosqueada para melhor aperto de fixação contra o pino e o furo. A cavilha pode convenientemente ter uma cabeça de cavilha para montagem/remoção mais simples (não mostrada).

[00012] Como mostrado na fig. 2, é descrita uma vista em corte transversal através de um pino 1' encastrado em um furo 2' em um anodo 3' com um segundo dispositivo de fixação. O furo tem uma seção cônica 8' que diverge para baixo. O espaço entre o pino e o furo é preenchido com partículas condutoras elétricas 4, que são bolas de aço nesta modalidade. A um nível de enchimento parcial, um pedaço das bolas de aço é soldado ao pino por uma ferramenta de soldagem apropriada 9', de tal modo que o pino será fixado com respeito ao furo.

[00013] Como mostrado na fig.3, é descrita uma vista em corte transversal através de um garfo 111 conectado com uma viga 113. O garfo e a viga ambos tendo uma fenda 112 que permite que tocos 101 e 102 sejam forçados a se afastar de tocos 103 e 104. Quando o garfo é forçado a se aparar ele pode ser posto em lugar no anodo 130. Quando a força é removida, entalhes (122, 123) nos tocos 102 e 103 podem se ajustar em recessos no préusinados (132, 133) nos orifícios no anodo 130.

[00014] A fig. 4a descreve um elemento de catodo 20 de acordo com a presente invenção onde o elemento de catodo está repousando temporariamente sobre dois troncos de apoio (28, 29). O elemento tem dois rasgos longitudinais 23, 24 onde as barras coletoras 21, 22são inseridas. O espaço entre cada barra coletora e o rasgo correspondente está cheio com partículas condutoras elétricas (não mostradas). Tampas de fechamento 25, 26 vedam o espaço na extremidade do elemento enquanto tampas similares são aplicadas no fundo e na outra extremidade do elemento de catodo também (não mostradas). Um sistema de fixação temporário mantém os elementos individuais no lugar até montagem final em uma célula de eletrólise.

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 10/54 / 11 [00015] Na fig. 4b, é descrito como as medidas de voltagem e corrente são realizadas nos ensaios. A resistência é calculada a partir da voltagem medida dividida pela corrente medida.

[00016] Na fig. 5, é descrita a resistência medida entre uma barra coletora e o material de carbono calcinado em um bloco de catodo, tendo dita barra de coletor encastrada no mesmo. No ensaio, duas medidas paralelas foram realizadas de acordo com os princípios da presente invenção.

[00017] Como pode ser visto a partir da figura, a resistência medida para a barra coletora encastrada de acordo com os princípios da presente invenção, é representada pelas duas curvas as amais inferiores (301, 302).

[00018] A resistência a partir do topo do bloco para a extremidade do aço é para os quatro aços medida para estar entre 50 e 60 μ Ω o que está dentro da precisão do equipamento de medição. Estes ensaios duraram aproximadamente 8 meses, e a partir do diagrama pode ser visto que a resistência é relativamente estável. As curvas acima desta curva se referem a catodos de referência na mesma célula de alumínio com pasta de contato como meio de contato.

[00019] Na fig. 6a é descrita uma parte de garfo 211 (seu suspensor não é mostrado aqui) provida com um jogo de dispositivos de fixação 222, 223 que corresponde com um recesso 234 feito em um bloco de anodo. A fig. 6b que é uma vista lateral da fig. 6a, descreve o dispositivo de fixação 222 que isso tem um dispositivo de fixação similar 222' no seu lado oposto. O mesmo se aplica ao dispositivo de fixação 223, mas isto não é mostrado aqui. Como pode ser visto as partir da fig. 6b, pode se permitir que a parte de garfo 211 entre no intervalo 234, enquanto que os dispositivos de fixação 222, 223 são dispostos para estar se conjugando com os recessos 235, 235' respectivamente.

[00020] Ver também a fig. 7a onde no garfo 211 entrou no recesso 234, e os dispositivos de fixação 222, 223 entraram em recessos de topo aberto

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232, 233 respectivamente. A fig. 7b descrevem o dispositivo de fixação 222 e seu dispositivo de fixação oposto 222' em posição dentro dos recessos 235, 235' respectivamente no anodo 230.

[00021] Na fig.8, o garfo 211 foi movido lateralmente contra o anodo 230 e os dispositivos de fixação 222, 223 foram movidos para uma parte do recesso 235 que é de topo fechado com respeito aos dispositivos de fixação 222, 223. Este princípio de fixação pode ser denotado coloca-desliza.

[00022] O espaço entre o garfo 211 e a parte não ocupada do recesso 234 é então preenchido com partículas condutivas elétricas, tais como granalhas de aço.

[00023] Deve ser entendido que os recessos 234, 235, 235' podem ser em forma de cauda de andorinha, ou sejam têm uma forma de recorte.

[00024] Os dispositivos de fixação 222, 223 no exemplo acima consistem em hastes cilíndricas que entram em um furo através da parte de garfo 211. Estas hastes podem ser fixadas por um arranjo de encaixe por pressão, e dispostos para fácil remoção e troca.

[00025] Em uma alternativa, a forma dos dispositivos de fixação pode ser achatada, ou seja, tendo uma superfície plana mais estendida, que age contra o recesso no anodo.

[00026] A parte principal do recesso pode ser formada enquanto o anodo estiver em sua condição verde, ou seja, antes dele ser calcinado. Então o recesso pode ser calibrado por uma ferramenta de processamento rotativa, ou tendo uma forma complementar à forma final do recesso ou tendo uma dimensão menor que aquela da forma final. A ferramenta pode ser disposta para se ajustar em uma máquina CNC ou similar, e assim a usinagem (processamento) será executada de uma maneira de automatizada. No processo de usinagem, pelo menos um dos recessos de topo 232, 233 são feitos e subseqüentemente a ferramenta é movida ao longo do eletrodo para fazer o recesso 234. O recesso também pode ser processado de uma maneira

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 12/54 / 11 semelhante como declarado acima, até mesmo quando não houve nenhum pré-formando do recesso na condição verde do eletrodo.

[00027] Na fig. 10, são descritas duas curvas que monitoram a queda de voltagem versus tempo em um garfo convencional (com pinos) e a conexão de anodo à base de ferro fundido, e a conexão de garfo de colocadesliza presente com granalhas de aço como mostrado na fig. 8. As medidas em ambos os casos foram medidas na parte de garfo/niple 10 cm acima do bloco de anodo, e na superfície do bloco de anodo 10 cm desviado na direção transversal com respeito ao garfo/niples.

[00028] A partir da figura 10 pode ser visto que depois de um período de tempo, por exemplo aproximadamente 200 horas, a queda de voltagem na modalidade como mostrada na fig.8, foi medida para estar no intervalo 60-80 mV. A queda de voltagem na conexão niple/anodo convencional foi medida para estar no intervalo 100-110 mV.

[00029] A fig. 9 descreve uma vista de extremidade de um catodo 20' tendo recessos ou rasgos 23' em sua parte inferior (apenas um sete descritos aqui). Similarmente à modalidade das figs. 4a-b, são dispostos elementos coletores 21' nos rasgos onde o espaço restante é preenchido com partículas condutivas elétricas. Os elementos coletores 21' são nesta modalidade fixados a uma placa coletora 30' que coleta a corrente e assegura estabilidade.

[00030] Em uma alternativa, os elementos coletores 21' podem, em parte ou na totalidade, ser excluídos, e os rasgos 23' cheios com partículas condutivas que geram uma conexão elétrica com a placa coletora 30'.

[00031] Vantajosamente, o catodo 20' e a placa coletora 30' são inclinados um pouco sob o procedimento de enchimento das partículas, para permitir que as partículas preencham o recesso de uma maneira suave.

[00032] Os recessos ou rasgos 23' podem ser feitos por um processo similar àquele descrito acima. Na condição calcinada os recessos podem ser feitos por um equipamento de processamento que compreende uma ou mais

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 13/54 / 11 lâminas de serra rotativas que entram no catodo, e depois inicializando um movimento mútuo entre o catodo e o equipamento de processamento.

[00033] Deve ser entendido que os sólidos ou partículas condutivo(a)s elétrico(a)s podem ser de qualquer metal apropriado tal como aço, ferro, cobre, alumínio etc., ou ligas dos mesmos. Ademais adiante, a forma dos sólidos pode ser esférica, oval ou elíptica, floculada, ou ser qualquer forma apropriada. O tamanho e a distribuição de partícula podem variar. O tamanho máximo será em geral restringido pelo espaço a ser preenchido. Uma distribuição não homogênea de tamanhos de partícula pode ser conveniente para obter um enchimento tão compacto quanto possível, com pouco espaço entre as partículas.

[00034] Além de, em geral, ter boas propriedades condutoras elétricas, o material aplicado deve ter boas propriedades mecânicas (propriedades de trituração) e ser capaz de sustentar altas temperaturas. Como mencionado mais tarde, propriedades, magnéticas podem ser vantajosas.

[00035] Ainda mais, o tamanho de ditos sólidos pode ser de 0,1 milímetros e perto da abertura mínima entre o pino e a parede do furo/recesso no anodo. Comumente, o tamanho pode ser de até 10 milímetros. Podem ser aplicadas dimensões semelhantes dos sólidos em um elemento de catodo onde a dimensão é determinada pela abertura entre a barra coletora e a parede do rasgo.

[00036] As partículas condutoras elétricas podem ser armazenadas em um recipiente ou em um armazenador apropriado em um nível mais alto que o recesso no eletrodo a ser preenchido. Um tubo preso firmado a este recipiente com uma válvula e uma abertura apropriada para o rasgo pode regular a quantidade correta de partículas dentro do rasgo. Assim o transporte e a distribuição podem ser executados mediante alimentação por gravidade. Sob enchimento, pode ser aplicada vibração para obter um enchimento mais compacto. O eletrodo e/ou o garfo/ barra coletora podem ser vibrados. Em

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 14/54 / 11 uma alternativa um bastão vibratório pode ser aplicado no recesso preenchido com partículas condutivas, para gerar vibração diretamente do material preenchido.

[00037] Ensaios que foram feitos com anodos tendo areia de aço (pequenas partículas de ferros) como material preenchido mostram que depois de aproximadamente 12 horas de operação, as partículas se tornam um tanto pastosas e se “colam” entre si. Ao mesmo tempo a aglomeração de partículas parece ter uma certa resistência mecânica. Com respeito a anodos suspensos, este efeito irá vantajosamente ajudar a fixação mecânica do garfo ao anodo. O efeito mencionado não está completamente compreendido, mas as temperaturas e possivelmente a dilatação da parte real do garfo de anodo no recesso e o material preenchido podem gerar um processo semelhante àquele de sinterização do material.

[00038] Ainda mais, pasta de colar comumente usada para anodos ou outra substância protetora pode ser usada para produzir uma camada encapsuladora e protetora no topo das partículas condutoras elétricas. O mesmo vai se aplicar para os catodos.

[00039] Anodos gastos pode comumente ser manipulados em uma estação de formação de hastes as pontas são removidas do garfo (depois de remoção de qualquer anodo material de cobertura do anodo). Preferivelmente as pontas são trincadas de uma maneira onde elas caem principalmente em dois pedaços divididos ao longo da direção de sua fixação. Caso contrário, elas podem ser trituradas ou batidas para fora do suspensor. As pontas são convencionalmente postas em um transportador.

[00040] Em casos onde havia partículas condutivas magnéticas aplicadas como material de preenchimento, o garfo de anodo é preferivelmente magnetizado por meios apropriados, pelo que as partículas vão ser atraídas para o garfo durante a remoção das pontas.

[00041] Depois das pontas terem sido removidas, o garfo é

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 15/54 / 11 preferivelmente movido para uma outra parte da estação de formação de hastes para recuperação do material de enchimento. Então o garfo pode ser desmagnetizado para deixar as partículas caírem. Quaisquer partículas restantes na parte previamente encastrada do garfo podem ser removidas por métodos mecânicos simples tais como raspagem, pois as partículas caem facilmente.

[00042] Como uma etapa de limpeza final, a parte previamente encastrada do garfo pode ser jateada (tal como por jateamento de areia) preferivelmente por meio de partículas do mesmo tipo que ou as quais sejam compatíveis com o material de enchimento real tais como de ferro, aço ou qualquer outro material condutivo elétrico. Além disso, este jateamento pode ser realizado por areia, alumina, ou qualquer outro material apropriado.

[00043] Comumente, os pontas serão transportadas para uma usina de pasta de eletrodo ou similar. Antes dele deixar a estação de formação de hastes. ou próximo disto, pode ser vantajoso separar material de enchimento restante das pontas. No caso de usar material de enchimento magnético, este material pode ser separado das pontas em uma estação de separação magnética. Por exemplo, as pontas podem ser transportados sobre um transportador perto de um ou mais elementos magnetizados que atraem partículas magnéticas provenientes das pontas. Preferivelmente, as pontas são agitadas ou chacoalhadas durante este processo. Os elementos magnetizados podem ser desmagnetizados em períodos para deixar as partículas caírem, e as partículas podem ser reutilizadas como material de enchimento, depois de possível trituração de aglomerados de partículas e uma classificação do material em partículas.

[00044] Deve ser entendido que materiais de enchimento não magnéticos podem ser recuperados e reutilizados também, mesmo se a tecnologia de separação e recuperação seja um pouco diferente daquela descrita acima. Um tipo de peneira pode ser aplicado para separar as pontas

Petição 870190078472, de 13/08/2019, pág. 16/54 / 11 do material de enchimento.

[00045] O material de enchimento recuperado pode cair como aglomerados de partículas. Estes aglomerados podem precisar ser triturados até partículas mais ou menos individuais para serem reutilizados como material de enchimento determinado pela abertura do recesso real a ser preenchido. A trituração pode ser feita adaptando aparelhos convencionais.

[00046] A supracitada recuperação do material de enchimento foi explicada por um eletrodo usado como um anodo. Porém, um processo de separação similar que combine etapas apropriadas pode ser aplicado também a catodos.

[00047] Na montagem de um eletrodo, pode ser vantajoso aplicar uma suspensão de grafita sobre os condutores elétricos a serem encastrados no material carbonáceo. Isto é comumente feito por conexões de ferro fundido.

[00048] Misturar em um pouco de pó seco de por exemplo grafita no material de enchimento pode ser vantajoso. Isto pode ajudar a remoção, i.e. a recuperação do material de enchimento na estação de pontas.

Claims (12)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Eletrodo para uso em um processo de eletrólise para produção de alumínio, o eletrodo compreende um corpo de material carbonáceo calcinado conectado com um condutor de corrente elétrica, onde o condutor de corrente é encastrado em um recesso no corpo carbonáceo, o recesso sendo mais largo que o condutor e sendo preenchido com um material condutivo elétrico, caracterizado pelo fato de que o material condutivo elétrico consiste apenas de partículas condutivas e em que condutor de corrente e o corpo de material carbonáceo calcinado são conectados por meio de dispositivos de fixação mecânicos.
2. 2. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas têm uma forma esférica.
3. 3. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas têm uma forma oval ou elíptica.
4. 4. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material condutivo elétrico compreende partículas magnéticas.
5. 5. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas são feitas de ferro ou de uma liga de ferro.
6. 6. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas são feitas de aço ou de uma liga de aço.
7. 7. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eletrodo é um bloco de catodo.
8. 8. Eletrodo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o bloco de catodo tem vários recessos em sua parte de fundo, confrontando uma placa coletora (30').
9. 9. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eletrodo é um bloco de anodo.
10. 10. Eletrodo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado

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    2 / 2 pelo fato de que o bloco de anodo é preso ao condutor de corrente por meio de uma espiga, cavilha ou similar interconectando as partes.
11. 11. Eletrodo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o bloco de anodo é preso ao condutor de corrente por dispositivos de fixação projetando-se sobre o condutor de corrente e um ou mais recessos dispostos no anodo.
12. 12. Eletrodo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que dispositivos de fixação (222) projetando-se sobre o condutor de corrente encaixam em recesso(s) de topo aberto (232) no bloco de anodo e travam em uma posição de um recesso (235) que se comunica com o(s) recesso(s) (232), onde o recesso (235) é de topo fechado com respeito aos dispositivos de fixação (222).