CN107223167A - 用于提纯铝的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及提纯铝原料的方法。方法包括：(a)将铝原料进料到槽中；(b)引导电流到阳极中，穿过电解液并导入阴极，其中阳极包含细长立式阳极，并且其中阴极包含细长立式阴极，其中该阳极和阴极配置为延伸到电解液区域中，以使在电解液区域中该阳极和阴极配置为具有阳极‑阴极重叠和阳极‑阴极距离；并由铝原料制造一些提纯的铝产品。

Description

用于提纯铝的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请是非临时的，并要求2015年2月11日提交的题为“Systems and Methodsfor Purifying Aluminium”的美国申请系列号62/114,961的优先权，其经此引用以全文并入本文。
背景技术
胡普斯(Hoopes)法是已经用于获得具有极高纯度的铝金属的电解法。
技术领域
总体上，本申请涉及利用电解槽以从含有铝金属的原料提供提纯的铝产品的不同配置和工艺。更具体而言，本申请涉及利用竖直取向的、间隔开的阳极与阴极构造，其中该阳极和阴极由铝可湿性材料构成，以便降低极间距离，并提高运行的电解槽的电极表面积(例如提纯区域)从而以低得多的能耗和更高的生产率由铝原料(例如包括铝金属和/或其合金的原料)制造提纯的铝金属产品。
发明内容
在一个方面，提供了一种方法，包括：(a)将铝原料进料到铝电解槽的槽入口通道中，其中该铝电解槽配置为具有至少两个区域，包括熔融金属液层区域和电解液区域(例如反应/提纯区域)，此外其中该铝原料保留在所述熔融金属液层区域中；(b)引导电流进入阳极穿过电解液并进入阴极，其中该阳极包含细长立式阳极，并且其中该阴极包含细长立式(vertical)阴极，其中该阳极和阴极配置为延伸到电解液区域中(例如以相对的、间隔开的构造)，使得在电解液区域中，该阳极和阴极配置为具有阳极-阴极重叠和阳极-阴极距离[其中阳极、阴极和电解液(电和机械地)配置为包含在铝电解槽中]；(c)用来自熔融金属液层的熔融材料润湿该细长立式阳极的至少一部分表面，其中该熔融材料包括铝金属；(d)伴随着引导步骤，由细长立式阳极表面上的铝金属在该电解液中产生至少一部分铝离子；和(e)伴随着引导步骤，在该浴中将至少一部分铝离子还原到细长立式阴极的表面上以制造熔融的提纯铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：在进料步骤之前，熔融该原材料。
在一些实施方案中，该方法包括：收集至少一部分提纯的铝产品上层，其中该上层包含熔融的提纯铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：从该铝电解槽中移出提纯的铝产品。
在一些实施方案中，该移出步骤包括将该槽放液(tapping)。
在一些实施方案中，该移出步骤包括：将提纯的铝产品浇铸成锭以提供具有至少99.5重量％的铝纯度的铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：收集至少一部分提纯的铝上层，其中该上层包含提纯的铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：经由槽入口通道移出铝电解槽中来自熔融金属液层的残液和/或残渣。
在一些实施方案中，该阳极和阴极由铝可湿性材料构造。
在一些实施方案中，该引导步骤进一步包括向该细长立式阳极供应电流。
在一些实施方案中，该阳极和阴极浸没在电解液中。
在一些实施方案中，该方法包括：提纯的铝产品包含至少99.5重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
在一些实施方案中，该方法包括：提纯的铝产品包含至少99.8重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
在一些实施方案中，提纯的铝产品包含至少99.9重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
在一些实施方案中，该方法包括：提纯的铝产品包含至少99.98重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
在另一方面，提供了一种方法，包括：(a)提供包括至少两个区域的铝电解槽，包括电解液区域(例如反应/提纯区域)和包含铝原料的熔融金属液层区域(例如原料区域)；(b)引导电流进入阳极穿过电解液并进入阴极，其中该阳极包含细长立式阳极，并且其中该阴极包含细长立式阴极，其中该阳极和阴极与该电解液电连通，并配置为延伸到电解液区域中(例如以相对的、间隔开的构造)，使得该阳极和阴极配置为具有阳极-阴极重叠和阳极-阴极距离；其中该阳极、阴极和电解液配置为包含在铝电解槽中；(c)用来自熔融金属液层的熔融材料区域润湿该细长立式阳极的至少一部分表面，其中该熔融材料包括铝金属；(d)伴随着引导步骤，由细长立式阳极表面上的铝金属在该电解液中产生至少一部分铝离子；和(e)伴随着引导步骤，在该浴中将至少一部分铝离子还原到细长立式阴极的表面上以制造熔融的提纯铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：形成包括提纯的铝产品的第三区域，其中该第三区域配置在电解液区域上方以限定上层。
在一些实施方案中，该方法包括：经由放液操作从铝电解槽中移出至少一部分提纯的铝产品。
在一些实施方案中，该方法包括：将提纯的铝产品浇铸成铸件形式(例如锭)。
在一些实施方案中，该方法包括：(a)将铝原料进料到铝电解槽的槽入口通道中。
在一些实施方案中，该方法包括提纯铝以使得以1至15kWh/kg提纯的铝产品的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝产品。
在一些实施方案中，以2至10kWh/kg提纯的铝产品的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。
在一些实施方案中，以2至6kWh/kg提纯的铝产品的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括：用惰性气体吹扫该槽室。
在一些实施方案中，该方法包括：经由配置在铝电解槽的耐火材料顶盖内的惰性气体入口使惰性气体流入铝电解槽，其中该惰性气体配置为在槽室中限定的气相空间(例如位于电解液和/或提纯的铝产品上方)中提供惰性气氛。
在一些实施方案中，该方法包括：向铝原料中添加致密化助剂以配置铝原料的密度，以便在润湿步骤之前保留在熔融金属液层区域中。
在一些实施方案中，该方法包括：经由槽入口通道向铝电解槽中添加浴组分。
在一些实施方案中，该浴组分配置为补充电解液并促进生产与还原步骤。
在一些实施方案中，该细长立式阳极包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料、W、Mo、钢及其组合的至少一种，该细长立式阴极包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合的至少一种。
在另一方面，提供了一种铝电解槽，包括：(a)基座、耐火材料侧壁和耐火材料顶盖；(b)位于基座附近的底部，该底部具有上表面；(c)与该底部电连通的阳极连接器，该阳极连接器具有配置为连接到外部电源的外端；(d)从该底部的上表面向上延伸的细长立式阳极，该细长立式阳极具有：(i)连接到该底部的上表面的近端；(ii)朝向耐火材料顶盖向上延伸的自由远端；和(iii)中间部分；(e)靠近该耐火材料顶盖的阴极连接器，该阴极连接器具有：(i)配置为连接到外部电源的上连接杆；和(ii)下表面；(f)从该阴极连接器的下表面向下延伸的细长立式阴极，该细长立式阴极具有：(i)连接到该阴极连接器的上表面的近端；(ii)朝向基座向下延伸的自由远端；和(iii)中间部分；其中该细长立式阴极与该细长立式阳极重叠，以使得该细长立式阴极远端靠近该细长立式阳极的中间部分，并且该细长立式阳极的远端靠近该细长立式阴极的中间部分。
在一些实施方案中，该槽包括：由耐火材料侧壁、耐火材料顶盖和底部限定的槽室；穿过耐火材料侧壁的下部由此提供到槽室下部的通路的槽入口通道，该槽入口通道具有入口孔。
在一些实施方案中，该槽包括：穿过耐火材料侧壁的上部的铝提取孔，由此提供到槽室上部的通路。
在一些实施方案中，该槽包括：配置成向槽室提供惰性气氛的在耐火材料顶盖中形成的惰性气体入口。
在一些实施方案中，该槽包括：外壳，其中该外壳包含：位于基座下方的壳底板；和与耐火材料侧壁隔开并围绕该耐火材料侧壁的壳侧壁。
在一些实施方案中，该槽包括：热绝缘体，其中该热绝缘体位于壳底板与基座之间，以及壳侧壁与耐火材料侧壁之间。
在一些实施方案中，该细长立式阳极是铝可湿性的。
在一些实施方案中，该阳极选自：TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料、W、Mo、钢及其组合的至少一种。
在一些实施方案中，该细长立式阴极是铝可湿性的。
在一些实施方案中，该阴极选自：TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合的至少一种。
在另一方面，提供了一种方法，包括：(a)向铝电解槽中的细长立式阳极供应电流，该铝电解槽包含：(i)基座、耐火材料侧壁和耐火材料顶盖；(ii)位于基座附近的底部；(iii)由耐火材料侧壁、耐火材料顶盖和底部限定的槽室；(iv)在底部上方的包含在该槽室中的熔融金属液层；其中该熔融金属液层包含铝和杂质；(v)在该熔融金属液层上方的包含在该槽室中的提纯铝的上层；(vi)包含在该槽室中并分离该上层与熔融金属液层的底部层的电解液；(vii)由该底部向上延伸，穿过熔融金属液层并终止在电解液中的细长立式阳极；(viii)靠近该耐火材料顶盖的阴极连接器；(ix)由阴极连接器向下延伸并终止在电解液中以使该细长立式阴极与该细长立式阳极在电解液中重叠的细长立式阴极；(b)用来自熔融金属液层的熔融材料润湿该细长立式阳极的至少一部分表面；(c)经由该细长立式阳极由熔融金属液层制造铝离子；(d)经由该细长立式阴极还原至少一部分铝离子，由此制造提纯的铝；(e)收集上层中至少一部分提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括提供具有至少99.5重量％至最高99.999重量％Al的提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括提供具有至少99.8重量％至最高99.999重量％Al的提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括提供具有至少99.9重量％至最高99.999重量％Al的提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括提供具有至少99.98重量％至99.999重量％Al的提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括经由槽入口孔将铝原料添加到槽室中。
在一些实施方案中，该添加步骤包括以第一进料速率将铝原料计量加入到槽室中。
在一些实施方案中，该方法包括以第二移出速率从该槽室中移出提纯的铝。
在一些实施方案中，至少部分基于第二移出速率来控制第一进料速率。
在一些实施方案中，该添加步骤包括向槽室中周期性添加该铝原料。
在一些实施方案中，该方法包括从槽室中周期性移出提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括制造提纯的铝以使得以1至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法提供了以2至10kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造的提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法提供了以2至6kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括用惰性气体吹扫该槽室。
附图概述
图1是本公开的用于提纯铝的电解槽的实施方案的示意性剖视侧视图。
图2是本公开的用于提纯铝的电解槽的实施方案的示意性剖视侧视图。
图3是用于实验室规模试验的电解提纯槽的侧面示意图(正视图)。
图4是用于实验室规模试验的电解提纯槽(未显示阴极组件)的自上而下的示意图(平面图)。
图5是描述获得的实验数据的图，显示为通过ICP确定的金属中的Fe(重量％)，对各个槽显示。
发明详述
将参照附图进一步解释本发明，其中在多个附图中类似的结构由类似的附图标记来指示。显示的附图不一定按比例绘制，重点通常放在说明本发明的原理。此外，一些特征可能被夸大以显示特定部件的细节。
这些附图构成说明书的一部分，并包括本发明的说明性实施方案，描述了其各种目的和特征。此外，该附图不一定按比例绘制，一些特征可能被夸大以显示特定部件的细节。此外，附图中显示的任何测量、规格等等意在为说明性的而非限制性的。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是用于教导本领域技术人员不同地应用本发明的代表性基础。
在已经公开的这些益处和改进中，通过结合附图进行的以下描述，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。在本文中公开了本发明的详细实施方案；但是，要理解的是，公开的实施方案仅说明以各种形式实施的本发明。此外，接合本发明的各种实施方案给出的各实施例意在为说明性的而非限制性的。
在说明书和权利要求书通篇中，以下术语采取与本文中明确相关的含义，除非上下文另行明确规定。本文中所用的短语“在一个实施方案中”和“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案，虽然可能如此。此外，本文中所用的短语“在另一实施方案中”和“在另一些实施方案中”不一定是指不同的实施方案，虽然可能如此。由此，如下文所述，本发明的各种实施方案可以容易地结合，而不脱离本发明的范围或精神。
此外，本文中所用的术语“或”是包容性的“或”运算符，等价于术语“和/或”，除非上下文明确地另行规定。术语“基于”不是排它性的，并且允许基于未描述的附加因素，除非上下文明确地另行规定。此外，在本说明书通篇中，“一个(a)”、“一种(an)”和“该”的含义包括复数指代。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
本文中所用的“铝原料”是指具有至少80重量％的铝的材料。
本文中所用的“提纯的熔融铝”是指具有至少99.5重量％的铝的熔融材料。
本文中所用的“熔融金属液层”是指位于电解液下方的熔融材料储池，其中该熔融材料包含铝。
本文中所用的“残渣”是指在铝提纯过程中沉淀的废料。在一些实施方案中，残渣包含固体材料。
本文中所用的“残液”是指含有非常高杂质含量的铝。
本文中所用的“铝可湿性”是指具有不大于90°的与熔融铝的接触角。
本文中所用的“电解液”是指其中通过离子/离子物质的移动进行电流流动的介质。在一个实施方案中，电解液可以包含熔融盐。
本文中所用的“能量效率”是指每千克由铝电解槽生产的提纯铝，由该铝电解槽消耗的能量的量(以千瓦时为单位)。因此，能量效率可以表示为kWh/kg制得的铝(kWh/kg)。
本文中所用的“阳极-阴极重叠”(ACO)是指由细长立式阳极的远端到相应的细长立式阴极的远端的竖直距离。
本文中所用的“阳极-阴极距离”(ACD)指的是将细长立式阳极与相应的细长立式阴极分开的水平距离。
在一个实施方案中，本发明包括一种铝电解槽。该槽可以包括基座、耐火材料侧壁和耐火材料顶盖。该槽可以包括位于基座附近的底部，其中该底部具有上表面。该槽可以包括与该底部电连通的阳极连接器，该阳极连接器具有配置为连接到外部电源的外端。该槽可以包括从该底部的上表面向上延伸的细长立式阳极。该细长立式阳极可以具有连接到该底部的上表面的近端、朝向耐火材料顶盖向上延伸的自由远端，以及中间部分。该槽可以包括靠近该耐火材料顶盖的阴极连接器。该阴极连接器可以具有配置为连接到外部电源的上连接杆，和下表面。该槽可以具有从该阴极连接器的下表面向下延伸的细长立式阴极。该细长立式阴极可以具有连接到该阴极连接器的上表面的近端、朝向基座向下延伸的自由远端、以及中间部分。在一个实施方案中，该细长立式阴极与该细长立式阳极重叠，以使得该细长立式阴极远端靠近该细长立式阳极的中间部分，并且该细长立式阳极的远端靠近该细长立式阴极的中间部分。
在一个实施方案中，该铝电解槽包括由耐火材料侧壁、耐火材料顶盖和底部限定的槽室。该槽可以包括穿过耐火材料侧壁的下部由此提供到槽室下部的通路的入口通道。该槽入口通道可以具有入口孔。
在一个实施方案中，该铝电解槽包括穿过耐火材料侧壁的上部的铝提取孔，由此提供到槽室上部的通路。在一个实施方案中，该铝电解槽包括配置成向槽室提供惰性气氛的在耐火材料顶盖中形成的惰性气体入口。
在一个实施方案中，该铝电解槽包括外壳，其中该外壳包含：位于基座下方的壳底板；和与耐火材料侧壁隔开并围绕该耐火材料侧壁的壳侧壁。该铝电解槽可以包括热绝缘体，其中该热绝缘体位于壳底板与基座之间，以及壳侧壁与耐火材料侧壁之间。
在一个实施方案中，该细长立式阳极是铝可湿性的。在这方面，该细长立式阳极可以包括TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料、W、Mo、钢及其组合的至少一种。
在一个实施方案中，该细长立式阴极是铝可湿性的。在这方面，该细长立式阴极可以包括TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合的至少一种。
不受任何特定机理或理论的束缚，据信，该阳极被配置为经受电化学反应，使得含有杂质的铝金属被阳极化为铝离子Al3+(传送至电解液)以使杂质留在阳极上。随后，该离子被还原到阴极表面上，并形成铝金属，其中该金属为提纯形式，因为杂质保留在阳极表面上和/或收集在金属液层中(例如该杂质的给定密度vs.电解液/浴组分)。
在一个实施方案中，本发明包括一种方法。该方法可以包括向铝电解槽中的细长立式阳极供应电流。该铝电解槽可以包括基座、耐火材料侧壁和耐火材料顶盖。该铝电解槽可以包括位于基座附近的底部。该铝电解槽可以包括由耐火材料侧壁、耐火材料顶盖和底部限定的槽室。该铝电解槽可以包括在底部上方的包含在该槽室中的熔融金属液层。该熔融金属液层可以包括铝和杂质。该铝电解槽可以包括在该熔融金属液层上方的包含在该槽室中的提纯的铝的上层。该铝电解槽可以包括包含在该槽室中并分离该上层与熔融金属液层的电解液。该细长立式阳极可以由该底部向上延伸，穿过熔融金属液层并终止在电解液中。该铝电解槽可以包括靠近该耐火材料顶盖的阴极连接器。该铝电解槽可以包括由阴极连接器向下延伸并终止在电解液中以使该细长立式阴极与该细长立式阳极在电解液中重叠的细长立式阴极。该方法可以包括用来自熔融金属液层的熔融材料润湿该细长立式阳极的至少一部分表面。该方法可以包括经由该细长立式阳极由熔融金属液层制造铝离子。该方法可以包括经由该细长立式阴极还原至少一部分铝离子，由此制造提纯的铝。该方法可以包括收集上层中至少一部分提纯的铝。
在该方法的一些实施方案中，该提纯的铝包含99.5重量％至99.999重量％的Al。在该方法的一些实施方案中，该提纯的铝包含至少99.8重量％至99.999重量％的Al。在该方法的一些实施方案中，该提纯的铝包含至少99.9重量％至99.999重量％的Al。在该方法的一些实施方案中，该提纯的铝包含至少99.98重量％至99.999重量％的Al。
在一些实施方案中，该方法包括经由槽入口孔将铝原料添加到槽室中。在该方法的一些实施方案中，该添加步骤包括以第一进料速率将铝原料计量加入到槽室中。在一些实施方案中，该方法包括以第二移出速率从该槽室中移出提纯的铝。在该方法的一些实施方案中，至少部分基于第二移出速率来控制第一进料速率。在该方法的一些实施方案中，该添加步骤包括向槽室中周期性添加该铝原料。在一些实施方案中，该方法包括从槽室中周期性移出提纯的铝。
在该方法的一些实施方案中，以1至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。在该方法的一些实施方案中，以2至10kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。在该方法的一些实施方案中，以2至6kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽制造提纯的铝。
在一些实施方案中，该方法包括用惰性气体吹扫该槽室(19)。
图1和2是用于提纯铝的电解槽的示意图。在所示实施方案中，该电解槽(1)包含基座(7)、耐火材料侧壁(15)和耐火材料顶盖(17)。该铝电解槽(1)包括位于基座(7)附近的底部(30)。该底部(30)具有上表面(32)和下表面(34)。在一些实施方案中，该底部(30)的上表面(32)是倾斜的。在一些实施方案中，该斜率包括小于10°的角度。在一些实施方案中，该斜率包括约3至5°的角度。该铝电解槽(1)包括阳极连接器(20)。该阳极连接器(20)与底部(30)的下表面(34)电连通。在一些实施方案中，该底部包括配置为接收该阳极连接器的至少一个插槽。该阳极连接器(20)具有配置为连接到外部电源的外端(22)。
该铝电解槽(1)包括从该底部的上表面(32)向上延伸的至少一个细长立式阳极(40)。该细长立式阳极(40)具有近端(42)、自由远端(44)和中间部分(46)。该细长立式阳极的近端(42)连接到该底部的上表面(32)。该细长立式阳极的自由远端(44)朝向耐火材料顶盖(17)向上延伸。在一些实施方案中，该细长立式阳极(40)是铝可湿性的。例如，该细长立式阳极(40)可以包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料、W、Mo、钢及其组合的一种或多种。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括靠近该耐火材料顶盖(17)的阴极连接器(50)。该阴极连接器(50)具有上连接杆(54)和下表面(52)。该上连接杆(54)配置为连接到外部电源。
该铝电解槽(1)包括至少一个细长立式阴极(60)。该细长立式阴极(60)从该阴极连接器(50)的下表面(52)向下延伸。该细长立式阴极(60)具有近端(62)、自由远端(64)和中间部分(66)。该细长立式阴极的近端(62)连接到该阴极连接器(40)的上表面(52)。该立式阴极的自由远端(64)朝向该铝电解槽的基座(7)向下延伸。在一些实施方案中，该细长立式阴极(60)是铝可湿性的。例如，该细长立式阴极(60)可以包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合的一种或多种。
在图1和2所示实施方案中，该细长立式阴极(60)与该细长立式阳极(40)重叠，以使该细长立式阴极(60)的远端(64)靠近该细长立式阳极(40)的中间部分(46)。此外，在所示实施方案中，该细长立式阳极(40)的远端(44)靠近该细长立式阴极(60)的中间部分(66)。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠配置为平衡该槽的电压要求和/或该槽的能耗。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为0至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为1至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为5至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为10至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为20至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为25至50英寸。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为至少一些重叠至最高12英寸的重叠。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为至少2英寸的重叠至10英寸的重叠。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为至少3英寸的重叠至8英寸的重叠。在一些实施方案中，该阳极-阴极重叠(ACO)为至少3英寸的重叠至6英寸的重叠。
一个或多个惰性间隔物(100)可以位于该细长立式阴极(60)与该细长立式阳极(40)之间以保持所需阳极至阴极距离(ACD)。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至3英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至2英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至1英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至1/4英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/4英寸至1/2英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至3/4英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至1英寸。在一些实施方案中，该ACD可以为1/8英寸至1/2英寸。
该耐火材料侧壁(15)、耐火材料顶盖(17)和底部(30)在该铝电解槽(1)中限定了槽室(19)。在一些实施方案中，该槽室(19)含有：熔融金属液层(250)、提纯的熔融铝的上层(400)和电解液(300)。该熔融金属液层(250)与底部(30)接触。该电解液(300)将上层(400)与熔融金属液层(250)分离。该细长立式阳极(40)由该底部(30)向上延伸，穿过熔融金属液层(250)并终止在电解液(300)中。该细长立式阴极(60)由阴极连接器(50)向下延伸并终止在电解液(300)中以使该细长立式阴极(60)与该细长立式阳极(40)在电解液(300)中重叠。由此，该细长立式阴极(60)与该细长立式阳极(40)通过电解液(300)分离。
如上所述，该电解液(300)将提纯的铝的上层(400)与熔融金属液层(250)分开。在这方面，可以选择该电解液(300)的组成以使该电解液(300)具有低于熔融金属液层(250)的密度和高于提纯的铝的上层(400)的密度。在一些实施方案中，该电解液(300)尤其可以包含Na、K、Al、Ba、Ca、Ce、La、Cs、Rb的氟化物和/或氯化物的至少一种，以及其组合。
该熔融金属液层(250)可以包含至少一种合金，所述合金包含Al、Si、Cu、Fe、Sb、Gd、Cd、Sn、Pb和杂质的一种或多种。
在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.6重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.7重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.8重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.9重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.95重量％至99.999重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.98重量％至99.999重量％的铝。
在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.99重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.95重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.9重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.8重量％的铝。在一些实施方案中，提纯的熔融铝具有99.5重量％至99.7重量％的铝。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括多个细长立式阳极(40)。在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括多个细长立式阴极(60)。所述多个细长立式阳极(40)可以与所述多个细长立式阴极(60)交错。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括穿过该槽室(19)由此提供到槽室下部的通路的槽入口通道(70)。该槽入口通道(70)可以具有入口孔(72)。铝原料(200)可以经由该入口孔(72)添加到该铝电解槽(1)中。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括穿过耐火材料侧壁(15)的铝提取孔(80)，由此提供到槽室(19)上部的通路。提纯的铝(400)可以经由该提取孔(80)从铝电解槽(1)中提取。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括在该耐火材料顶盖(17)内形成的惰性气体入口。该惰性气体入口配置为向该槽室(19)提供惰性气氛(500)。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)包括外壳(5)。该外壳可以包含钢或其它合适的材料。在一些实施方案中，该外壳(5)可以包括位于基座下方的壳底板(6)。在一些实施方案中，该外壳(5)可以包括与耐火材料侧壁(15)隔开并围绕该耐火材料侧壁(15)的壳侧壁(9)。
在一些实施方案中，该铝电解槽(1)可以包括热绝缘体(11)。该热绝缘体可以位于壳底板(6)与基座(7)之间，以及壳侧壁(9)与耐火材料侧壁(15)之间。该热绝缘体可以促进该铝电解槽(1)的高电效率。
提纯铝的方法的一个实施方案包括向该细长立式阳极(40)供应电流。来自熔融金属液层(250)的熔融材料(包含熔融铝)可以沿该细长立式阳极(40)的竖直表面蠕升。在一些实施方案中，在槽(1)运行过程中，可以连续发生来自熔融金属液层的熔融材料的向上蠕动。在一些实施方案中，该细长立式阳极可以覆盖该细长立式阳极(40)的基本所有暴露表面。该细长立式阳极(40)表面上的熔融铝可以经由该细长立式阳极(40)被阳极化，由此产生铝离子。至少一部分铝离子可以经由电解液转移到该细长立式阴极(60)的表面上。至少一部分铝离子可以经由该细长立式阴极(60)被还原，由此在该细长立式阴极(60)的表面上制造提纯的铝。不受特定机理或理论的束缚，一种可能的解释是，由于提纯的铝在电解液(300)中的浮力，提纯的铝随后沿细长立式阴极(60)的表面蠕升。由此，提纯的铝倾向于收集为电解液(300)上方的层(400)。例如，基于提纯的铝产品与电解液(例如电解液中的浴组分)熔融金属液层(例如包括含有铝金属、杂质和/或致密化助剂(提高密度以使金属液层配置为具有大于电解液的密度的添加剂)的原料)之间的密度差异，使得熔融金属液层在电解液区域下方。
在一些实施方案中，以1至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以1至10kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以1至8kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以1至6kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以1至4kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。
在一些实施方案中，以5至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以10至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以12至15kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。
在一些实施方案中，以2至10kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以2至8kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。在一些实施方案中，以2至6kWh/kg提纯的铝的能量效率经由该电解槽(1)制造提纯的铝(400)。
在一些实施方案中，该方法可以包括经由槽入口孔(72)将铝原料(200)添加到槽室(19)中。在一些实施方案中，该铝原料(200)在槽(1)运行过程中可以基本连续地添加。在一些实施方案中，可以通过以第一进料速率计量添加铝原料(200)加入该铝原料(200)。在一些实施方案中，该铝原料(200)可以周期性添加。
在一些实施方案中，该方法可以包括经由铝提取孔(80)从槽(1)中移出至少一部分提纯的铝的上层(400)。在一些实施方案中，该铝原料(200)在槽(1)运行过程中可以基本连续地移出。在一些实施方案中，例如可以至少部分基于第二移出速率来控制第一移出速率。在一些实施方案中，该铝原料(200)可以在槽(1)运行过程中周期性移出。在一些实施方案中，用配置为移出提纯的铝产品而不污染该产品的设备(例如氧化铝、石墨和/或TiB2放液设备)完成该移出步骤。
在一些实施方案中，该方法可以包括经由惰性气体入口(90)向槽室(19)提供惰性气氛。在这方面，该槽室可以与环境气氛隔离。惰性气体的实例尤其包括氦、氩和氮。
在一些实施方案中，可以至少部分由于该通过步骤来制造残渣(220)。该残渣(220)可以具有高于熔融金属液层(250)的密度。如上所述，该底部(30)的上表面(32)可以是倾斜的。在一些实施方案中，该斜坡可以由耐火材料侧壁(15)向下至槽入口通道(70)。由此，残渣(220)可以沿上表面(32)朝向槽入口通道(70)排出。在一些实施方案中，该残渣可以经由槽入口通道(70)从槽室(19)中移出。在一些实施方案中，杂质可以倾向于收集在熔融金属液层(250)中。由此，该槽入口通道(70)可以促进移出至少一部分熔融金属液层(250)。
实施例
下列实施例意在说明本发明，不应解释为以任何方式限制本发明。
实验室规模电解提纯槽
用于进行电解提纯槽的实验室规模试验的槽的示意图显示在图3和4中(非按比例绘制)。图3是用于实验室规模试验的电解提纯槽的侧视图(正视图)。图4是用于实验室规模试验的电解提纯槽(未显示阴极组件)的自上而下的示意图(平面图)。图5是描述获得的实验数据的图，显示为通过ICP确定的金属中的Fe(重量％)，对各个槽显示。
使用图3和4中显示的槽配制进行采用不同电解液和阳极板配置的四次试验。该槽放置在电炉(101)中以加热和控制槽温度。在该炉内部，该槽被包含在Inconel干馏釜(102)中，石墨坩埚(103)放置在其中。该石墨坩埚提供向在槽底部的阳极铝垫的电连接。氧化铝内衬(104)放置在石墨干馏釜中以提供石墨干馏釜壁与电解液之间以及石墨干馏釜壁与阴极铝之间的电绝缘。
与铜合金化(例如作为致密化助剂，以15-60％，目标为35重量％)的不纯铝(进料)加入该槽中作为阳极铝。向不纯的铝中加入铜以提高熔体密度至大于电解液。在阳极铝垫中安装两个竖直阳极(TiB2板(105))，它们的末端竖直延伸到电解液中。
由石墨块(106)构造阴极电连接。将竖直阴极(TiB2板(108))固定到石墨阴极电连接并放置在两块阳极板之间。该阴极电连接通过图3中未显示的上部结构来固定。对于试验1，该阴极板具有与各阳极板相同的尺寸。对于试验2，该阳极板面积为双倍，而阴极板面积与试验1相同。通过宽度翻倍使阳极板面积翻倍，其中该宽度是图4的自上而下视图中在阳极板上的长尺寸。将两次其它运行(试验3和4)描述在表1中，所有四次试验的结果显示在图5中。当纯铝在TiB2板上制得并由于浮力向上流动时，石墨块具有空腔以收集纯铝。该阳极铝板(109)填充石墨坩埚的底部并在槽运行时降低。
试验中使用的电解液是AlF3、NaF、KF和BaF2盐的混合物。电解液水平(107)保持接近石墨干馏釜的顶部。选择电解液混合物组成，以使其具有介于阳极铝与阴极铝之间的密度(当熔融时)。试验1的电解液组成包含BaF2、AlF3和KF。试验2的电解液组成包含BaF2、AlF3和NaF。其它可用电解液组成包括具有至少5％的BaF2和至少5％的AlF3的那些。
将含有阳极铝合金和电解液混合物的槽通过该电炉加热并保持在700至900℃的温度下。一旦电解液混合物处在该温度，在阳极与阴极之间提供0至150安培的直流电。
使用数据采集系统在每次试验期间记录槽电压、电流和温度。提纯的铝收集在阴极收集腔中。测量铝中的铁杂质以便从采自进料铝和提纯熔融铝的样品量化提纯性能。使用电感耦合等离子体质谱(ICP)测量来自熔融铝的元素杂质浓度。
两次试验的结果显示在下表1中。
表1.两次电解提纯槽试验的结果的总结
虽然已经描述了本发明的大量实施方案，但应当理解，这些实施例仅仅是说明性的而非限制性的，并且对于本领域普通技术人员而言，许多修改可能变得显而易见。此外，各种步骤可以以任何期望的顺序进行(并且可以添加任何期望的步骤和/或可以消除任何期望的步骤)。

Claims (29)

1.一种方法，包括：
(a)将铝原料进料到铝电解槽的槽入口通道中，其中所述铝电解槽配置为具有至少两个区域，包括熔融金属液层区域和电解液区域，且其中所述铝原料保留在所述熔融金属液层区域中；
(b)引导电流进入阳极穿过电解液并进入阴极，其中所述阳极包含细长立式阳极，并且其中所述阴极包含细长立式阴极，其中所述阳极和阴极配置为延伸到电解液区域中，使得在电解液区域中，所述阳极和阴极配置为具有阳极-阴极重叠和阳极-阴极距离；
(c)用来自熔融金属液层的熔融材料润湿所述细长立式阳极的至少一部分表面，其中所述熔融材料包括铝金属；
(d)伴随着引导步骤，由细长立式阳极表面上的铝金属在所述电解液中产生至少一部分铝离子；和
(e)伴随着引导步骤，在浴中将至少一部分铝离子还原到细长立式阴极的表面上以制造熔融的提纯铝产品。
2.权利要求1的方法，进一步包括：
在进料步骤之前，熔融所述原材料。
3.权利要求1的方法，进一步包括：
收集至少一部分提纯的铝产品上层，其中所述上层包含熔融的提纯铝产品。
4.权利要求1的方法，进一步包括：
从所述铝电解槽中移出提纯的铝产品。
5.权利要求4的方法，其中所述移出步骤包括将所述槽放液。
6.权利要求4的方法，其中所述移出步骤包括：
将提纯的铝产品浇铸成锭以提供具有至少99.5重量％的铝纯度的铝产品。
7.权利要求1的方法，进一步包括：
收集至少一部分提纯的铝上层，其中所述上层包含提纯的铝产品。
8.权利要求1的方法，其中所述方法进一步包括：
经由槽入口通道移出以下的至少一种：铝电解槽中来自熔融金属液层的残液和残渣。
9.权利要求1的方法，其中由铝可湿性材料构造所述阳极和阴极。
10.权利要求1的方法，其中所述引导步骤进一步包括向所述细长立式阳极供应电流。
11.权利要求1的方法，其中所述阳极和阴极浸没在电解液中。
12.权利要求1的方法，其中所述提纯的铝产品包含至少99.5重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
13.权利要求1的方法，其中所述提纯的铝产品包含至少99.8重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
14.权利要求1的方法，其中所述提纯的铝产品包含至少99.9重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
15.权利要求1的方法，其中所述提纯的铝产品包含至少99.98重量％至最高99.999重量％Al的铝纯度。
16.一种方法，包括：
(a)提供包括至少两个区域的铝电解槽，包括电解液区域和包含铝原料的熔融金属液层区域；
(b)引导电流进入阳极穿过电解液并进入阴极，其中所述阳极包含细长立式阳极，并且其中所述阴极包含细长立式阴极，其中所述阳极和阴极与所述电解液电连通，并配置为延伸到电解液区域中，使得所述阳极和阴极配置为具有阳极-阴极重叠和阳极-阴极距离；其中所述阳极、阴极和电解液配置为包含在铝电解槽中；
(c)用来自熔融金属液层区域的熔融材料润湿所述细长立式阳极的至少一部分表面，其中所述熔融材料包括铝金属；
(d)伴随着引导步骤，由细长立式阳极表面上的铝金属在所述电解液中产生至少一部分铝离子；和
(e)伴随着引导步骤，在浴中将至少一部分铝离子还原到细长立式阴极的表面上以制造熔融的提纯铝产品。
17.权利要求16的方法，进一步包括：
形成包括提纯的铝产品的第三区域，其中所述第三区域配置在电解液区域上方以限定上层。
18.权利要求16的方法，进一步包括：
经由放液操作从铝电解槽中移出至少一部分提纯的铝产品。
19.权利要求16的方法，进一步包括：
将提纯的铝产品浇铸成铸件形式。
20.权利要求16的方法，进一步包括：
(a)将铝原料进料到铝电解槽的槽入口通道中。
21.权利要求16的方法，其中以1至15kWh/kg提纯的铝产品的能量效率经由所述电解槽制造提纯的铝产品。
22.权利要求16的方法，其中以2至10kWh/kg提纯的铝产品的能量效率经由所述电解槽制造提纯的铝。
23.权利要求16的方法，其中以2至6kWh/kg提纯的铝的能量效率经由所述电解槽制造提纯的铝产品。
24.权利要求16的方法，进一步包括：
用惰性气体吹扫槽室.
25.权利要求1的方法，进一步包括：
经由配置在铝电解槽的耐火材料顶盖内的惰性气体入口使惰性气体流入铝电解槽中，其中所述惰性气体配置为在槽室中限定的气相空间中提供惰性气氛。
26.权利要求16的方法，进一步包括：
向铝原料中添加致密化助剂以配置铝原料的密度，以便在润湿步骤之前保留在熔融金属液层区域中。
27.权利要求16的方法，进一步包括：
经由槽入口通道向铝电解槽中添加浴组分。
28.权利要求27的方法，此外其中所述浴组分配置为补充电解液并促进生产与还原步骤。
29.权利要求16的方法，此外其中所述细长立式阳极包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料、W、Mo、钢及其组合的至少一种，所述细长立式阴极包含TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合的至少一种。
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