CN104233378A - 用于向冶金反应器提供工作电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于向冶金反应器提供电流的方法，包括：在反应器中设置侧壁开口，其中所述反应器构造成用于容放熔融材料，穿过所述侧壁开口进给电极，其中所述电极构造成用于向熔融材料提供工作电流，以及使电流夹与所述电极接触，其中所述电流夹构造成用于向所述电极提供工作电流，其中当所述电极被进给到熔融材料中时，所述电流夹与所述电极电接触。

Description

用于向冶金反应器提供工作电流的方法

本申请是名称为“用于电冶炼反应器的侧壁和底部电极布置以及用于进给该电极的方法”、国际申请日为2008年9月16日、国际申请号为PCT/US2008/076550、国家申请号为200880131116.1的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于向冶金反应器提供工作电流的方法。

背景技术

金属铝通常通过两种技术进行生产：传统的霍尔(Hall)方法，其中电流在两个电极之间穿过以将氧化铝还原成金属铝；以及碳热还原法，其中氧化铝通过与碳发生化学反应而化学还原成铝。进行如下式所示的铝的整个碳热还原反应：

Al₂O₃+3C→2Al+3CO  (1)

或可通过一系列化学反应进行，比如：

2Al₂O₃+9C→Al₄C₃+6CO(蒸气)  (2)

Al₄C₃+Al₂O₃→6Al+3CO(蒸气)  (3)

Al₂O₃+2C→Al₂O(蒸气)+2CO(蒸气)  (4)

Al₂O₃+4Al→3Al₂O(蒸气)  (5)

Al→Al(蒸气) (6)

反应(2)通常称为产渣步骤，经常在1875℃到2000℃之间的温度下发生。反应(3)通常称为产铝步骤，经常在大约2050℃以上的温度下发生。铝蒸气种类虽然可通过反应(4)、(5)和(6)形成，但也可在反应(2)和(3)期间形成。

发明内容

本发明涉及改进的碳热反应器，该碳热反应器具有将电极进给至反应器中的改进方法、系统和装置。

根据本发明，提供了一种用于向冶金反应器提供工作电流的方法，包括：

在反应器中设置侧壁开口，其中所述反应器构造成用于容放熔融材料，

穿过所述侧壁开口进给电极，其中所述电极构造成用于向熔融材料提供工作电流，以及

使电流夹与所述电极接触，其中所述电流夹构造成用于向所述电极提供工作电流，

其中当所述电极被进给到熔融材料中时，所述电流夹与所述电极电接触。

可选地，电极的进给与电极尖端的距离以及邻近冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应。

可选地，所述冶金反应器包括：

用于容纳熔融材料的反应器，其中所述反应器包括侧壁和底部，并且其中所述侧壁限定至少一个侧壁开口；

穿过所述侧壁开口设置的电极，其中所述电极构造成用于接触所述熔融材料并且向所述熔融材料提供工作电流；

第一隔离层，所述第一隔离层设置在所述侧壁开口的内表面与所述电极之间，构造成用于电隔离所述侧壁；

电流夹，所述电流夹围绕所述电极设置，构造成用于接触所述电极并且将工作电流提供给所述电极；

第一可调节环，所述第一可调节环围绕所述电极并且连接到所述侧壁，构造成用于将所述电流夹压在所述电极上；和

第二可调节环，所述第二可调节环围绕所述电极并且连接到所述侧壁，构造成用于将所述电流夹压在所述侧壁上。

可选地，当所述第一可调节环将所述电流夹压在所述电极上并且所述第二可调节环将所述电流夹压在所述侧壁上时，所述第一可调节环和第二可调节环构造成用于密封所述侧壁开口以防熔融材料泄漏。

可选地，所述电流夹和所述第一可调节环为相对应的锥形以便密封所述侧壁开口以防熔融材料泄漏，并且所述第一可调节环为锥形以便当所述第二可调节环将所述电流夹压在所述侧壁上时，将所述电流夹压在所述电极上。

可选地，所述冶金反应器还包括第二隔离层，所述第二隔离层设置在所述第二可调节环与所述电极之间，其中所述第二隔离层构造成用于电隔离所述侧壁。

可选地，所述电流夹设置成与所述第二隔离层相邻并且所述第二隔离层设置于所述电流夹与所述第二可调节环之间以便将所述第二可调节环与所述电流夹隔离。

可选地，所述冶金反应器还包括将所述第一可调节环连接到所述侧壁的螺栓，其中所述第一隔离环构造成绕着所述侧壁开口的外表面延伸并且其中所述螺栓通过所述第一隔离环连接至所述侧壁以便电隔离所述侧壁。

可选地，所述冶金反应器还包括由熔融材料形成的、用于密封所述侧壁开口的冻结层，其中围绕所述侧壁开口的所述冻结层的量与所述电极的在熔融材料内且远离所述侧壁的尖端的距离以及邻近包围所述侧壁开口的所述冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应，并且

其中进入熔融材料的电极进给速率与所述尖端的距离以及邻近所述冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应。

可选地，所述冶金反应器还包括电隔离的电极进给缸，所述电极进给缸绕着所述电极设置并且连接至所述侧壁以便将电极穿过侧壁开口进给到熔融材料中。

可选地，所述电流夹设置成与所述第一隔离层相邻并且位于所述侧壁的外侧上。

可选地，所述电流夹的至少一部分设置于所述侧壁开口内并且所述电流夹设置于所述第一隔离层与所述电极之间。

可选地，当所述电极被进给到熔融材料中时，所述电流夹与所述电极电接触。

在一些电冶炼反应器工序中，有时最好、或甚至必须使用穿过反应器侧壁或穿过反应器底部、并插进容纳在反应器中的熔融材料内的电极，所述熔融材料比如为液态渣、金属、合金或熔盐。例如，美国专利号6,440,193描述的通过碳热还原氧化铝来生产铝的方法就属于这种情况。在该专利描述的工序中，通过穿过反应器侧壁插进渣层中的电极来将能量输送到反应器的高温室中。在美国专利6,440,193公开的方法中，高温室具有下方的熔渣层和上方的熔融铝层。因为上层的熔融铝会使电极发生短路，所以不可能在该高温室中使用从上方插入的竖直电极。因此，必须使用穿进渣层的侧壁电极或底部电极。

通常，用于电冶炼反应器的电极是自耗碳电极，比如石墨或预焙碳电极。当使用自耗电极时，为了补偿电极消耗，必须时时将电极进给至反应器内部中。电极必须以密封的方式穿过反应器侧壁或底部，以防止液体材料从反应器渗出，且电极密封也必须允许在不让液体材料透过电极密封的情况下进给电极。

一些液体材料(比如废渣)非常具有侵蚀性，其会侵蚀已知的耐火内衬。因此，在高温下操作的反应器经常具有固态渣的冷冻内衬，以用于保护反应器壁和底部。因此，通过碳热还原氧化铝来生产铝的反应器至少在计划被熔渣覆盖的区域上，优选由冷却金属板、特别是冷却铜板制成，其中，控制或调节板的冷却以在冷却板的内部提供和维持一个冻结渣防护层。

已发现对于由冷却板制成的侧壁和底部和由耐火材料制成的常规侧壁和底部，都非常难以将电极穿过反应器侧壁和底部插入以产生和维持电极和冷却板之间的可靠密封并能够在渣没有通过电极开口泄漏的风险下进给电极。

根据一个方面，本发明涉及用于侧壁的电极布置、和/或用于计划用来容纳液体材料的冶金反应器的电极，其中，至少一个自耗电极通过位于反应器侧壁或底部中的开口穿过反应器的侧壁或底部插入，该电极布置的特征在于其包括：用于将工作电流传导到电极的接触夹，所述电流夹围绕电极放置且具有用于循环冷却介质的内部沟道并具有向内呈锥形的部分；电隔离环，其插进反应器的侧壁或底部的开口和电极的表面之间，以产生电极的表面和反应器的侧壁或底部之间的密封；以及用于将电流夹压靠在隔离环上的装置。

根据本发明的一个实施例，电流夹的前面部分延伸进位于电极的表面和隔离环之间的开口中。

根据另一个优选实施例，用于将电流夹压靠在隔离环上的装置包括钢环，该钢环围绕电极放置并固定到反应器的侧壁或底部的外面，所述钢环具有向外呈锥形的开口，且其中电流夹具有被压进钢环的开口中的、相应地向内呈锥形的外表面。

根据再一个优选实施例，反应器的侧壁和/或底部由冷却金属板组成，其中钢环固定到冷却金属板。

本发明的电极布置可提供安全的密封，防止反应器中的液体材料透过电极密封。

当反应器的侧壁和/或底部由冷却金属板组成时，在反应器操作期间将在冷却板上形成一层反应器中材料的冻结层，该材料的冻结层将延伸到隔离环的面对反应器内部的一侧并延伸到电极的表面，从而保护电极密封。

本发明的侧壁电极可以是水平的、或和水平面成一角度。本发明的底部电极优选是竖直的。

本发明进一步涉及用于进给放置在容纳液体材料的冶金反应器的侧壁和/或底部中的自耗电极的方法，其中，电极通过连接到该电极的电极进给缸进给，该方法的特征在于基于在将电极插进反应器的侧壁或底部处侧壁或底部中或侧壁或底部附近的温度升高来实现电极的进给。

根据本发明的方法的一个优选实施例，其中反应器的侧壁和/或底部由冷却金属板制成，且其中材料的冻结层在冷却金属板的内部形成，所述电极的进给基于以下方式来进行：当电极的尖端朝侧壁和/或底部移动到已至少部分熔化冻结渣层的程度时，在电极进给缸上施加使冻结渣层破裂的压力。

在一个方面中，本发明的特征在于一种冶金反应器，其包括：

(i)壳体，其包括侧壁和底部，其中所述壳体适于容纳熔融材料；

(ii)至少一个自耗电极，其穿过所述壳体的开口伸出并伸入熔融材料中，其中所述开口位于所述壳体的侧壁或底部；

(iii)电流接触夹，其设置成用于将工作电流传导到所述电极，其中所述电流夹与所述电极接触，且其中所述电流夹包括至少一个内部沟道，其中所述内部沟道设置成用于循环冷却介质；和

(iv)电隔离环，其布置在所述电极和所述壳体的开口之间，其中所述电隔离环设置成用于密封地接合所述电极和所述开口，以限制所述熔融材料流出所述壳体。

在一个实施例中，电流夹的前面部分延伸进入位于电极的表面和隔离环之间的开口中。在一个实施例中，反应器包括钢环，该钢环围绕电极放置并固定到反应器的侧壁或者底部的外部，其中钢环具有第一配合表面，其中，电流夹具有相应的第二配合表面，其中，当电流夹的第二配合表面接合钢环的第一配合表面时，在电流夹的至少前面部分上实现压缩力。在一个实施例中，反应器的侧壁和底部中的至少一个包括至少一个冷却金属板。在一个实施例中，钢环固定到至少一个冷却金属板。

附图说明

图1是本发明的电极布置的第一实施例的竖直剖面图。

图2是图1中A区域的放大视图。

图3是本发明的电极布置的第二实施例的竖直剖面图。

具体实施例

图1显示冶金反应器侧壁的一部分，该冶金反应器计划用于容纳液态渣且具有由冷却铜板1组成的侧壁。水平的自耗电极2穿过冷却板1的开口3插进反应器的内部。反应器计划用于容纳液态渣(比如Al₃C₄-Al₂O₃)和熔融金属(比如金属铝)。电极2是由石墨或预焙碳制成的自耗电极。密封和电隔离环4插在开口3中，在电极2和隔离环4之间形成环形开口。隔离环4由耐高温的耐火材料制成，比如氧化铝耐火材料或具有电隔离性能的任何其它合适耐火材料。

电流夹5由铜或铜合金制成并具有用于循环冷却介质的内部沟道，该电流夹5围绕电极2放置。电流夹5具有向内呈锥形的部分并被压进电极2和隔离环4之间的开口3中，以密封侧壁、防止计划容纳在反应器中的熔融材料泄漏。

电流导体6用于把工作电流从电源(未显示)传导到电极2，该电流导体6连接到电流夹5。电流导体6呈管的形式，用于将冷却介质输送到电流夹5。

电流夹5以下面的方式被压进隔离环4和电极2之间的开口3中：具有向外呈锥形的内表面的钢环7通过螺栓8固定到板1。螺栓与板1隔开。电流夹5通过第二钢环9被压靠在电极2和钢环7上，该第二钢环9通过螺栓10固定到板1。电隔离环11插在电流夹5和第二钢环9之间。通过拧紧螺栓10，以足够大的预设密封力将电流夹5压靠在电极2和钢环7上以密封侧壁，并在电极2和电流夹5之间提供足够的电接触压力。

为了进给自耗电极2，电极进给缸13、14通过螺栓15或类似物固定到板1。电极进给缸13、14通过电极夹紧环16连接到电极2，该电极夹紧环16可夹在电极2的外表面上。电极夹紧环16可以是常规的液压缸或弹簧包。电极夹紧环16通过螺栓螺母连接而固定到电极进给缸13、14。

更特别地，现参考图2，电极进给缸14上的外凸缘20通过螺栓21和螺母22连接而固定到电极夹紧环16的外面部分。为了将电极夹紧环16和电极进给缸14隔离，将隔离衬套23插进用于螺栓21的钻孔中，与隔离部件24、25一起作用。最后，将隔离环26放置在电极进给缸14和电极夹紧环16之间。类似的布置也可用于其它连接螺栓(比如任何螺栓8、10、15)。也可使用其它螺栓连接布置。

图3显示本发明电极的第二实施例。图3中和图1对应的部件将使用相同的附图标记。图3的实施例和图1的实施例存在两方面区别。

首先，电流夹5没有延伸进铜板1中的开口3内。在图3的实施例中，电极和板1之间的密封由隔离环4组成，且电流夹5被压靠在钢环7和隔离环4。电极密封的这个实施例比图1中的实施例更容易实施。

其次，电极进给缸13、14连接到装置30，该装置30适于将电极的后部推进反应器中。装置30包括带螺纹32的接头31，该接头31拧进电极2后端内的螺纹凹槽中。图3显示的接头31是锥形的，但也可以是圆柱形的。当电极进给缸13、14开动时，装置30开动并压在电极的后部上，由此将电极尖端的一部分进一步移进反应器中。

即使上文针对由冷却金属板组成的反应器侧壁描述了本发明，相同的设置仍可应用到具有常规耐火内衬的反应器侧壁和底部。

在操作所描述的反应器时，由于板1的冷却，会在冷却板1的内侧(即板的面对反应器内部一侧)产生冻结渣层。在图1的实施例中，这个冻结渣层延伸跨过隔离环4、电流夹5的内端部到达电极2，并且至少部分地辅助实现电极和铜冷却板1之间的密封。在图3的实施例中，冻结渣层将延伸跨过隔离环到达电极2，同样地至少部分地辅助实现电极2和冷却板1之间的密封。

电极2在反应器的操作期间被消耗，电极尖端12将缓慢地朝反应器的侧壁移动。因此，随着电极尖端12越来越移近冷却板1，电极2将时时地被进给至反应器中。由于电极尖端12处的温度很高，紧邻电极密封处的温度将上升。在一些实施例中，电极的电极尖端12处的热量可部分熔化接近电极2的冻结渣层。在一个实施例中，电极2的进给基于该温度的上升。在一个相关的实施例中，通过在电极进给缸13、14上施加足够使剩余冻结渣层破裂的压力，由此使电极2被进给至反应器中(比如以预定的长度)，从而完成电极2的进给。在进给电极后，释放电极夹紧环16上的压力，将电极进给缸13、14和电极夹紧环16缩回并加压，以用于电极2的下一次进给循环。由于电极尖端12通过电极的进给已进一步远离反应器壁，因此电极2的表面和冷却板1之间会生成新的冻结渣层。通过这种方式，可在不泄漏熔渣的情况下安全进给电极2。

Claims (13)

1.一种用于向冶金反应器提供工作电流的方法，包括：

在反应器中设置侧壁开口，其中所述反应器构造成用于容放熔融材料，

穿过所述侧壁开口进给电极，其中所述电极构造成用于向熔融材料提供工作电流，以及

使电流夹与所述电极接触，其中所述电流夹构造成用于向所述电极提供工作电流，

其中当所述电极被进给到熔融材料中时，所述电流夹与所述电极电接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中电极的进给与电极尖端的距离以及邻近冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述冶金反应器包括：

用于容纳熔融材料的反应器，其中所述反应器包括侧壁和底部，并且其中所述侧壁限定至少一个侧壁开口；

穿过所述侧壁开口设置的电极，其中所述电极构造成用于接触所述熔融材料并且向所述熔融材料提供工作电流；

第一隔离层，所述第一隔离层设置在所述侧壁开口的内表面与所述电极之间，构造成用于电隔离所述侧壁；

电流夹，所述电流夹围绕所述电极设置，构造成用于接触所述电极并且将工作电流提供给所述电极；

第一可调节环，所述第一可调节环围绕所述电极并且连接到所述侧壁，构造成用于将所述电流夹压在所述电极上；和

第二可调节环，所述第二可调节环围绕所述电极并且连接到所述侧壁，构造成用于将所述电流夹压在所述侧壁上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中当所述第一可调节环将所述电流夹压在所述电极上并且所述第二可调节环将所述电流夹压在所述侧壁上时，所述第一可调节环和第二可调节环构造成用于密封所述侧壁开口以防熔融材料泄漏。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述电流夹和所述第一可调节环为相对应的锥形以便密封所述侧壁开口以防熔融材料泄漏，并且所述第一可调节环为锥形以便当所述第二可调节环将所述电流夹压在所述侧壁上时，将所述电流夹压在所述电极上。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述冶金反应器还包括第二隔离层，所述第二隔离层设置在所述第二可调节环与所述电极之间，其中所述第二隔离层构造成用于电隔离所述侧壁。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电流夹设置成与所述第二隔离层相邻并且所述第二隔离层设置于所述电流夹与所述第二可调节环之间以便将所述第二可调节环与所述电流夹隔离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述冶金反应器还包括将所述第一可调节环连接到所述侧壁的螺栓，其中所述第一隔离环构造成绕着所述侧壁开口的外表面延伸并且其中所述螺栓通过所述第一隔离环连接至所述侧壁以便电隔离所述侧壁。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述冶金反应器还包括由熔融材料形成的、用于密封所述侧壁开口的冻结层，其中围绕所述侧壁开口的所述冻结层的量与所述电极的在熔融材料内且远离所述侧壁的尖端的距离以及邻近包围所述侧壁开口的所述冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应，并且

其中进入熔融材料的电极进给速率与所述尖端的距离以及邻近所述冻结层的电极的温度这两项中的至少一项相对应。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述冶金反应器还包括电隔离的电极进给缸，所述电极进给缸绕着所述电极设置并且连接至所述侧壁以便将电极穿过侧壁开口进给到熔融材料中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电流夹设置成与所述第一隔离层相邻并且位于所述侧壁的外侧上。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述电流夹的至少一部分设置于所述侧壁开口内并且所述电流夹设置于所述第一隔离层与所述电极之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中当所述电极被进给到熔融材料中时，所述电流夹与所述电极电接触。