CN110475908B - 电解生产铝的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在一些实施方案中，示例性电解池包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比倾斜的表面，并且其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物。

Description

电解生产铝的系统和方法

致谢美国政府资助

本发明是至少部分地履行由美国能源部门发布的合同号DE AR0000406完成的。美国政府在本发明中拥有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月31日提交的美国临时申请号62/479,905的权益，将所述临时申请以其全文通过援引方式并入本文。

技术领域

总体上，本公开内容涉及具有铝可排放式阴极(drainable cathode)的电解池(electrolytic cell)的各种实施方案。更具体地，本公开内容涉及在电解池(electrolysis cell)中使用新型阴极结构(例如铝可排放式阴极)，使得能够在阴极结构的表面上产生熔融铝的同时将熔融铝排放到收集区域用于收集。

背景技术

商业化铝电解罐(electrolysis pot)使用碳块作为阴极并且使用熔融铝金属垫(pad)作为阴极(定位在池底部的碳块上方)。熔融铝在以二维(“2D”)配置的电解质与熔融铝垫之间的界面处产生，导致低的金属生产率并且需要占地面积大的设施。由极高电流产生的磁场的不稳定性引起的液态金属垫(通过与阴极接触而被阴极极化)的波动阻止在小的阳极至阴极距离处对池进行操作。将高的阳极至阴极距离与熔融电解质的高的电阻组合，阳极至阴极之间的电压降是高的，并且因此导致高的电解池能耗。

发明内容

在一些实施方案中，装置包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属(在所述池的底板(floor)的表面上也产生金属)，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，其中经由所述倾斜的表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜的表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物，并且其中所述阴极结构的下端与所述电解池的底板连接。

在一些实施方案中，所述阴极结构具有三角形几何结构。

在一些实施方案中，所述阴极结构的倾斜的表面具有15度至不大于89度的壁角。

在一些实施方案中，所述阴极结构的高度是所述电解池内的熔融浴(moltenbath)的高度的5％至95％。

在一些实施方案中，所述阴极结构的上端是成角度的。

在一些实施方案中，所述阴极结构的上端具有弧形边缘。

在一些实施方案中，所述阴极结构是附接至所述电解池的底板的单体式构件(例如陶瓷或复合材料)。

在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括机械附接设备，所述机械附接设备被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。

在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括粘合剂，所述粘合剂被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。

在一些实施方案中，所述阴极结构包括附接至支撑构件的至少两个阴极板，其中所述阴极板而非所述支撑构件与所述熔融电解质浴接触。

在一些实施方案中，所述阴极结构包括机械附接至所述池底板的至少两个阴极板，其中所述至少两个阴极板和所述池底部限定空体积。

在一些实施方案中，所述阴极组件包括多个阴极结构，所述多个阴极结构被配置为沿着电解池的底板呈大体上平行的、间隔的配置。

在一些实施方案中，所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的碳块的一部分，其中铝可润湿性涂层覆盖所述碳质材料。

在一些实施方案中，所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的非铝可润湿性部件，其中铝可润湿性涂层覆盖所述非铝可润湿性部件。

在一些实施方案中，所述阴极结构包括多个贴片(tile)，所述多个贴片被粘合剂粘附在碳块上方的适当位置，使得所述粘合剂和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。

在一些实施方案中，在所述阴极结构处产生的金属流动至所述池的底板，其中所述底板具有阴极排放角。

在一些实施方案中，收集区域与所述电解池中的阴极区域相邻定位，其中所述阴极排放角被配置用于将金属产物引导至所述收集区域。

在一些实施方案中，所述阴极排放角是0度至15度。

在一些实施方案中，装置包括：阴极组件，所述阴极组件包括电气配置在铝电解池中以电解地参与金属产生的阴极结构，其中所述金属在所述阴极结构的表面上产生，其中所述阴极结构被配置成沿着所述铝电解池的底板配合，进一步，其中所述阴极结构具有阴极壁角，所述阴极壁角带有与大体上水平的平面相比时倾斜的配置，其中经由所述阴极壁角，所述阴极结构被配置用于从其表面朝向所述池的底板排放金属产物，并且其中所述阴极结构进一步配置有沿着所述池的底板的阴极排放角，使得经由所述阴极壁角排放的金属产物进一步被所述阴极排放角沿着所述池的底板引导至与所述电解池中的阴极区域相邻定位的收集区域。

在一些实施方案中，所述收集区域沿着所述阴极组件的内部区域定位。

在一些实施方案中，所述收集区域位于以下中的至少之一：沿着所述池的至少一个侧壁、沿着所述池的至少一个端壁。

在一些实施方案中，所述阴极组件配置有在所述阴极结构与所述收集区域之间的水平部分。

在一些实施方案中，所述装置进一步包括：由多个阳极配置成的阳极组件，其中每个阳极是单体式碳块，所述单体式碳块具有被配置成与所述阴极组件的阴极壁角对应的阳极轮廓；其中所述阴极组件的阴极结构和所述阳极组件的阳极被填充有熔融电解质的阳极至阴极距离分开。

在一些实施方案中，阳极至阴极距离是1/4”至2”。

在一些实施方案中，所述阳极轮廓配置有斜切(beveled)边缘。

在一些实施方案中，每个阳极进一步配置有沿着所述阳极的下端配置的至少一个阳极槽(anode slot)，所述阳极槽被配置用于引导气泡和/或捕获的气体离开所述阳极的下端并且进入所述熔融电解质浴中。

在一些实施方案中，方法包括：在改造电解池的过程中，将阴极组件机械附接至池底部，其中所述阴极组件配置有多个由铝可润湿性材料构建的阴极结构，其中每个阴极结构包括阴极壁角以促使金属产物从所述阴极结构的上部或中部排放至所述阴极结构的下部；并且在预热所述电解池后，定位包括多个阳极的阳极组件，其中所述阳极配置有大体上与所述阴极壁角对应的斜切边缘，使得无论是在所述阴极组件的对应的大体上水平的部分与阳极之间测量的还是在具有阴极壁角的阴极结构与所述阳极的斜切边缘之间测量的，阳极至阴极距离都是恒定的。

在一些实施方案中，所述方法进一步包括加热配置在所述池中的熔融盐浴；将原料材料进料到所述池，其中所述原料含有期望的金属产物(例如铝金属)的金属化合物(例如氧化铝)；并且在所述池中电解产生金属(例如通过电解将含金属化合物的原料材料转化为金属产物)。

在一些实施方案中，将一个或多个阴极组件改装到现有的电解池中用于金属产生。

附图说明

从以下结合附图对各种实施方案的描述中，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得显而易见并且更容易理解，其中：

图1A-C描绘了根据本公开内容的阴极结构和对应的阳极结构/阳极轮廓的各种实施方案。在图1A中，相比于阴极结构(沿着池底部和/或阴极块配置的多个阴极构件)描绘了互补的阳极轮廓。图1A中提及了用于配置阴极组件的阴极构件的可选的实施方案。图1B和1C描绘了可选的实施方案，其中1B在阴极结构上提供了排放角，而1C没有提供(但是两者都具有描绘的收集部分/贮槽(sump))。

图2A-B描绘了与常规铝生产技术相比的公开的实施方案两个对比实例的结果。

图2A提供了特定的自焙(Soderberg)熔炼炉(smelter)对比采用本文描述的倾斜阳极和倾斜阴极池配置的改装的和全新(Greenfield)的自焙技术的对比实例。

图2B提供了特定的预焙(Pre-bake)池熔炼炉对比采用本文所述的倾斜阳极和阴极配置的改装的和全新的预焙池技术的对比实例。

图3描绘了如应用于现有的熔炼线(smelting line)的一个或多个使用中的实施方案，其中可以逐个改装各个池，同时保持在常规技术的情况下使用线中的剩余的池。在这种配置中，可以逐个池地部署一个或多个实现的配置，同时保持使用线中的剩余部分以提高效率而并不一次性完全转换(改装)线中的所有池(即，这可能需要停线)。

如图3中所描绘的，在经部分转换的罐线(pot line)中，配备有传统池的池还配置有辅助线/辅助总线，其被布线(route)到整流器以解决先进熔炼池(采用本公开内容的实施方案)和传统熔炼池(其在没有本公开内容的阴极结构的情况下运行)的电流差异。

如图3中所描绘的，本公开内容的一个或多个实施方案使得能够提供灵活选项以基于最小资本投资将技术改装到现有熔炼炉中以取得线的最大性能和财务改善。如图3中所示，可以通过逐个罐或逐段更换将采用先进技术的新的池/罐改装到现有的罐线中。

图4描绘了根据本公开内容的实施方案的阳极的平面侧视图，所述阳极具有与阴极轮廓对应的阳极轮廓，图4进一步展示了阳极块的斜切/成角度的边缘和阳极槽，所述阳极槽被配置在最下面的阳极表面中并且朝向阳极体向上延伸。

图5A描绘了根据本公开内容的阴极结构端视图的实施方案，其描绘了多个铝可润湿性阴极贴片，所述多个铝可润湿性阴极贴片被配置成沿着阴极组件端的表面并且是使用含有铝可润湿性添加剂和/或耐火组分的粘合剂配置(附接在适当位置)的。如图5A中所描绘的，根据本公开内容，阴极贴片大体上从阴极结构的最上部连续延伸到阴极结构的最下端(例如邻近池底板)。

图5B描绘了根据本公开内容的图5A的阴极结构的剖视侧视图，其示出了使用粘合剂配置/附接至支撑构件的表面上的阴极贴片，所述支撑构件被封闭在阴极贴片和粘合剂下方(包含在阴极贴片和粘合剂内)。

图5C描绘了根据本公开内容的阴极结构端视图的实施方案，其描绘了多个铝可润湿性阴极贴片，所述铝可润湿性阴极贴片被配置成沿着阴极组件端的表面并且是使用含有铝可润湿性添加剂和/或耐火组分的粘合剂配置(附接在适当位置)的。

如图5C中所描绘的，根据本公开内容，阴极贴片大体上竖直和水平配置并且粘附在阴极支撑件的表面上以形成阴极结构(例如邻近池底板)。

图5D描绘了根据本公开内容的图5C的阴极结构的剖视侧视图，其示出了使用粘合剂配置/附接至支撑构件的表面上的阴极贴片，所述支撑构件被封闭在阴极贴片和粘合剂下方(包含在阴极贴片和粘合剂内)。

还描绘了根据本公开内容的铝可润湿性部分，其被配置成延伸跨越大体上平坦的池底板并且将每个阴极结构(例如在其最下端)和下一个阴极结构(例如在其最下端)与铝可润湿性部分(例如构件、贴片、铝可润湿性涂层和/或其组合)连接。

图6描绘了根据本公开内容的阴极结构的实施方案的剖视侧视图，其中阴极涂层(铝可润湿性涂层)被配置在支撑构件的表面上(例如涂漆、喷涂、刷涂、轧制和/或其组合)。

还描绘了根据本公开内容的铝可润湿性部分，其被配置成延伸跨越大体上平坦的池底板并且将每个阴极结构(例如在其最下端)和下一个阴极结构(例如在其最下端)与铝可润湿性部分(例如构件、贴片、铝可润湿性涂层和/或其组合)连接。

图7描绘了根据本公开内容的阴极组件的实施方案的剖视侧视图，其中所述阴极构件是配置在池底板上的单体式块。还描绘了根据本公开内容的铝可润湿性部分，其被配置成延伸跨越大体上平坦的池底板并且将每个阴极结构(例如在其最下端)和下一个阴极结构(例如在其最下端)与铝可润湿性部分(例如构件、贴片、铝可润湿性涂层和/或其组合)连接。

图8描绘了根据本公开内容的电解池的实施方案的示意性剖视侧视图，其描绘了阴极组件和对应的阳极，所述阳极具有被配置成适应所述阴极组件的阴极结构的阳极轮廓。

如图8中所示，根据本公开内容，阴极结构被配置成以间隔的关系(例如在对应的阳极之间交替)延伸，其中阴极部分被配置成从在对应的阳极的下表面下方并且与阴极底板相邻的一个阴极结构的下端延伸至与毗邻的阴极结构的下部相邻的位置。

图9A描绘了根据本公开内容的电解池的部分俯视平面视图，其描绘了沿着所述池的一端的贮槽。

图9B描绘了根据本公开内容的电解池的俯视平面视图，其描绘了沿着所述池的中部从一侧到另一侧延伸的两个贮槽。

图9C描绘了根据本公开内容的电解池的俯视平面图，其描绘了沿着所述池的每个相对侧延伸的两个贮槽。

图9D描绘了根据本公开内容的电解池的局部俯视平面图，其描绘了两个相对的贮槽，所述贮槽大体上跨越池的中间并且以端到端的间隔关系延伸。

图10描绘了根据本公开内容的展示阴极构件与池的底板的附接配置的实施方案，其描绘了在阴极构件的面向下端/底部的部分上的阳接合部(male engagement)，所述阳接合部对应于底板中的阴(female)部分。

图11描绘了根据本公开内容的展示阴极构件与池的底板的附接配置的实施方案，其描绘了沿着阴极构件的面向下端/底部的部分的粘合剂/胶水，所述粘合剂/胶水将阴极构件附接/粘附到底板。

图12描绘了根据本公开内容的展示阴极构件与池的底板的附接配置的实施方案，其描绘了在阴极块中的两个对应的凹槽/附接物(从底板的表面延伸到阴极块中并且被配置用于保持/保留阴极结构的对应的阴极板(和/或贴片)的下端)。

图13描绘了在池中的阳极和阴极的通用配置(例如池底板、浴液(bath)至蒸汽界面)以大体上定义三个变量：阳极至阴极距离、阳极与阴极的重叠部分和阴极高度(总浴液高度的百分比)。

图14A描绘了对于具有石墨阳极的电解池，浴液氧化铝浓度对比池电阻的曲线图，所述石墨阳极具有平坦底部和3/8”的ACD。

图14B描绘了对于具有碳阳极的电解池，浴液氧化铝浓度对比池电阻的曲线图，所述碳阳极具有开槽的底部和3/4”的ACD。

以上附图不一定是按比例绘制的，相反，重点通常放在说明本发明的原理上。此外，可能夸大一些特征以示出特定部件的细节。这些附图/图片旨在是解释性的并且不限制本发明。

发明内容

本发明的其他方面和优点将部分地阐述在以下描述中并且部分地将从所述描述中显而易见，或者可以通过实践获知。

如本文所用，“电解”意指通过使电流通过材料而引起化学反应的任何过程。

在一些实施方案中，当一种金属在电解池中被还原以产生金属产物时，发生电解。电解的一些非限制性实例包括原生金属(primary metal)生产。电解产生的金属的一些非限制性实例包括：稀土金属、有色金属(例如铜、镍、锌、镁、铅、钛、铝和稀土金属)。

如本文所用，“电解池”意指用于产生电解的设备。在一些实施方案中，电解池包括一个熔炼罐或一系列熔炼罐(例如多个罐)。在一个非限制性实例中，电解池装配有电极，其充当导体，电流通过所述电极进入或离开非金属介质(例如电解质浴)。

如本文所用，“电极”意指带正电的电极(例如阳极)或带负电的电极(例如阴极)。

如本文所用，“阳极”意指电流通过其进入电解池的正极(或终端)。在一些实施例中，阳极由导电材料构建成。

在一些实施方案中，阳极由碳材料构建成(例如石墨基阳极、碳阳极)。

在一些实施方案中，阳极是产生氧的阳极(有时称为惰性阳极)。例如惰性阳极被配置成是尺寸稳定的和/或具有显著小于对应的碳阳极的腐蚀速率。惰性阳极材料的一些非限制性实例包括：金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷和/或其组合。

如本文所用，“阳极组件”包括一个或多个阳极，所述阳极与销/杆和支撑件连接(例如以调节/升高/降低阳极)。在一些实施方案中，阳极组件包括对应的电气总线机构(electrical bus work)，其被配置用于经由销将电流引导至阳极。

如本文所用，“支撑件”意指将另一个或多个物体保持在适当位置的构件。在一些实施方案中，支撑件是阴极支撑件——将阴极板保留在适当位置(例如呈倾斜配置)的结构。在一些实施方案中，支撑件与阴极板和/或阴极组件电气连通。在一些实施方案中，支撑件是绝缘体和/或不被配置成与阴极板和/或阴极组件电气连通。

在一些实施方案中，阴极支撑件由抵抗来自腐蚀性浴液的侵蚀的材料构建成。例如支撑件由耐火材料、碳、碳复合材料和/或中空结构(例如具有足够结构支撑和刚性以将阴极板保留在适当位置的填充物)构建成。

如本文所用，“电气总线机构”是指一个或多个部件的电连接器。例如阳极、阴极和/或其他池部件可以具有电气总线机构以将部件连接在一起。在一些实施方案中，电气总线机构包括在阳极中的销连接器、用于连接阳极和/或阴极的杆/棒、用于各种池部件(或之间)的电路、以及其组合。

如本文所用，“阴极”意指：电流通过其离开电解池的负极或终端。在一些实施方案中，阴极通过池的底部(例如集电器棒(current collector bar)和电气总线机构)电气连接。

在一些实施方案中，阴极由导电的铝可润湿性材料构建成。

如本文所用，“可润湿性”意指：液体/熔融材料在固体表面上具有不大于90度的接触角。

阴极材料的一些非限制性实例包括：过渡金属硼化物(例如硼化钛、硼化锆；硼化铪)；金属硼化物和碳复合材料；和/或其组合。

如本文所用，“阴极组件”是指电解池的阴极部分，其被配置用于从池中移除电流。作为非限制性实例，阴极组件包括以下部件：一个或多个集电器子组件、一个或多个集电器棒、阴极块、一个或多个阴极结构(例如配置有阴极构件(板、贴片、阴极涂层)、支撑构件)、一个或多个机械附接设备和一个或多个对应的附接部件、粘合剂/胶水、一个或多个阴极部分(例如配置用于以大体上水平的姿态附接至底板并且在阴极结构之间延伸)、一个或多个贮槽、电气总线机构和/或其组合。

如本文所用，“阴极结构”意指：阴极部件(例如单体式块、定位在支撑构件上的阴极板(例如采用任选的粘合剂或附接部件)、定位在支撑构件上的阴极贴片(例如采用任选的粘合剂或附接部件)、定位在支撑构件上的阴极涂层、将部件结合/粘附在一起的粘合剂、机械附接设备和在阴极结构上的对应的附接部件和/或其组合。

在一些实施方案中，阴极结构与池底部连通并且从池底部向上延伸。在一些实施方案中，阴极结构与金属产物/金属垫(例如在阴极结构的表面上形成的金属)连通。在一些实施方案中，阴极结构处在浴液-空气界面下方的高度处。在一些实施方案中，阴极结构位于电解质浴中。

在一些实施方案中，多个阴极板与阴极支撑件连接(例如机械地和电气地)。在一些实施方案中，2、4、6、8或更多个阴极板被附接至阴极支撑件。

在一些实施方案中，通过金属垫给阴极结构提供的电气连接。在一些实施方案中，通过与阴极极化的池底部接触给阴极结构提供的电气连接。

在一些实施方案中，阴极结构壁的角度(β)为至少5°至不大于89°。

在一些实施方案中，阴极结构壁的角度(β)为至少15°至不大于75°。

在一些实施方案中，阴极结构壁的角度(β)为至少30°至不大于65°。

在一些实施方案中，阴极结构壁的角度(β)为至少15°至不大于35°。

在一些实施方案中，阴极结构壁的角度(β)为至少55°至不大于75°。

在一些实施方案中，阴极结构壁角的角度(倾斜表面，β)是：至少5°；至少10°；至少15°；至少20°；至少25°；至少30°；至少35°；至少40°；至少45°；至少50°；至少55°；至少60°；至少65°；至少70°；至少75°；至少80°；或至少85°。

在一些实施方案中，阴极结构壁角的角度(倾斜表面，β)是：不大于5°；不大于10°；不大于15°；不大于20°；不大于25°；不大于30°；不大于35°；不大于40°；不大于45°；不大于50°；不大于55°；不大于60°；不大于65°；不大于70°；不大于75°；不大于80°；或不大于85°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)为0°(例如平坦表面)至不大于15°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)为至少0.1°且不大于15°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)至少为1°至不大于10°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)至少为2°至不大于5°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)为至少1°；至少5°；至少10°；或至少15°。

在一些实施方案中，阴极排放角的角度(α)为不大于1°；不大于5°；不大于10°；或不大于15°。

如本文所用，“外壳”意指侧壁的最外面的保护盖部分。在一个实施方案中，外壳是电解池内壁的保护盖。作为非限制性实例，外壳由包围池的硬质材料(例如钢)构建成。

如本文所用，“至少”意指大于或等于。

如本文所用，“不大于”意指小于或等于。

如本文所用，“集电器棒”是指从池收集电流的棒。在一个非限制性实例中，集电器棒从阴极收集电流并且将电流传输到电气总线机构以从系统中移除电流。

如本文所用，“电解质”意指：其中通过离子/离子物类的移动进行电流流动的介质。在一个实施方案中，电解质可以包括熔融盐。电解质浴组成的一些非限制性实例包括：NaF-AlF₃(在铝电解池中)、NaF、AlF₃、CaF₂、MgF₂、LiF、KF及其组合以及溶解的金属化合物(例如氧化铝)。

如本文所用，“熔融”意指通过施加热而呈可流动的形式(例如液体)。作为非限制性实例，电解质浴是熔融形式(例如至少约750℃)。

如本文所用，“改装”意指：使用开发或可用的零件来改进已经在使用中的设备/设施。

如本文所用，“金属产物”意指通过电解产生的产物。在一个实施方案中，金属产物在电解池的底部作为金属垫形成。金属产物的一些非限制性实例包括：铝、镍、镁、铜、锌和稀土金属。

如本文所用，“金属垫”意指：电解的金属产物。在一些实施方案中，金属垫由熔融金属(铝金属)形成，所述熔融金属在阴极表面上形成并且排放到池底部和/或贮槽中。

如本文所用，“侧壁”意指电解池的壁。在一些实施方案中，侧壁在周向地(parametrically)围绕池底部伸展并且从池底部向上延伸以限定出电解池的主体并且限定出其中保持电解质浴的体积。

在本公开内容的一个方面，提供了一种装置(例如阴极组件)，其包括：阴极结构，所述阴极结构被电气配置在电解池中以电解地参与金属产生，其中所述金属在所述阴极结构的表面上形成，其中所述阴极结构被配置成沿着铝电解池的底板配合(例如其中底板在阴极集电器组件顶部上的阴极块或耐火砖的顶部上)，进一步，其中所述阴极结构配置有阴极壁角，所述阴极壁角具有与大体上水平的平面相比时成角度的或倾斜的配置(即，具有最靠近浴液-蒸汽界面的上端、沿着池的底部配置的下端、以及定位在上端与下端之间的中部)，其中经由所述阴极壁角，所述阴极构件被配置用于从其表面朝向阴极结构的下端排放金属产物。

在一些实施方案中，阴极结构配置有三角形几何结构(例如其中一端沿着池的底部平坦地放置/附接至池的底部)。

在一些实施方案中，阴极结构壁角(例如β)是从30度至不大于89度。

在一些实施方案中，阴极结构壁角(β)是从30度到不大于80度。

在一些实施方案中，阴极结构的上端配置有角度(例如尖锐边缘)。

在一些实施方案中，阴极结构的上端配置有弧形边缘(圆形边缘)。

在一些实施方案中，阴极结构是配置成附接至池底部的单体式(例如一体式)陶瓷构件(例如铝可润湿性陶瓷构件)。

在一些实施方案中，单体式陶瓷构件的下端配置有机械附接设备(例如其被配置成能够机械附接至池底部)。

在一些实施方案中，单体式阴极构件的下端配置有阳延伸部分，所述阳延伸部分被配置成适配入(例如并且粘附或胶合到)在池底部(例如阴极块)中的对应的阴通孔(via)中。

在一些实施方案中，阴极结构包括多个阴极板，所述阴极板配置有它们各自的彼此相邻的上端和彼此相邻配置的对应的下端(例如以提供大体上Z字形图案(当在横截面上观察时))。

在一些实施方案中，至少两个阴极板被配置到支撑构件，使得阴极板而不是支撑构件与熔融电解质浴和/或金属(金属产物)接触。

在一些实施方案中，阴极板与支撑构件附接。

在一些实施方案中，阴极板胶合和/或粘附到支撑构件。

在一些实施方案中，阴极板机械附接至支撑构件。

在一些实施方案中，阴极板机械附接至池底部(例如在阴极板之间的部分是空的，没有支撑构件或填充材料定位在阴极板之间)。

在一些实施方案中，支撑构件由耐火材料、陶瓷材料(例如非铝可润湿性的)、多孔填充材料、填充材料、碳质材料、复合材料(例如碳质和陶瓷材料)和/或其组合配置而成。

在一些实施方案中，支撑构件与阴极板电气连通。在一些实施方案中，支撑构件不与阴极板电气连通(例如支撑构件是电绝缘体材料)。

在一些实施方案中，阴极结构包括多个阴极构件，所述阴极构件被配置成沿着电解池的底板呈大体上平行、间隔的配置。

在一些实施方案中，阴极结构经由如下包括负向极化(negative polarization)(例如与池电气连通)：(1)与金属垫接触；(2)与沿着池的底板/底部配置的阴极块附接；(3)附接至阴极集电器棒组件，和/或其组合。

在一些实施方案中，阴极结构被配置作为沿着池的底板配置/附接至阴极块(例如碳块)上的支撑构件，其中铝可润湿性涂层(例如涂漆)覆盖碳质材料(例如将涂层浸渍、喷涂、涂漆、轧制或以其他方式施用到碳块的表面)。

在一些实施方案中，阴极结构被配置作为附接至非铝可润湿性(例如导电材料/由碳配置成的支撑构件)——其沿着池的底板附接至阴极块——的铝可润湿性部件。覆盖碳质材料的铝可润湿性涂层阴极构件(例如涂漆)的非限制性实例包括：浸渍、喷涂、涂漆、轧制或以其他方式施用到非铝可润湿性部件的表面的涂层。

在一些实施方案中，阴极构件包括多个贴片(例如铝可润湿性陶瓷贴片)，所述贴片被泥浆(grout)或粘合剂粘附在碳块上方的适当位置(例如其中泥浆或粘合剂包含铝可润湿性陶瓷材料)，使得所述泥浆和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。

在一些实施方案中，阴极构件包括多个贴片(例如铝可润湿性陶贴片)，所述贴片被泥浆或粘合剂粘附在碳块上方的适当位置(例如其中泥浆或粘合剂具有施用至其表面的铝可润湿性陶瓷涂料或涂漆)，使得所述泥浆和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。

在一些实施方案中，阴极构件包括多个贴片(例如铝可润湿性陶贴片)，所述贴片被泥浆或粘合剂粘附在碳块上方的适当位置，其中(1)所述泥浆或粘合剂包括铝可润湿性陶瓷材料，并且(2)所述泥浆或粘合剂具有施用至其表面的铝可润湿性陶瓷涂层或涂漆，使得所述灌浆和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。

在本公开内容的一个方面，阴极构件配置有沿着阴极的下端的阴极排放角(例如任选地，与配置/附接至一个或多个阴极构件的阴极块组合)，使得经由阴极壁角排放的金属产物被阴极排放角进一步引导至沿着池中的阴极区域定位/邻近池中的阴极区域定位的收集区域(例如贮槽)中(例如贮槽沿着侧廊(side aisle)、端廊(end aisle)、或在阴极构件之间配置/定位)。

在一些实施方案中，所述阴极排放角是0.1度至15度。

在一些实施方案中，所述阴极排放角是1度至5度。

在本公开内容的一个方面，提供了一种装置，包括：阴极构件，所述阴极构件被电气配置在电解池中以电解地参与金属产生，其中所述金属在所述阴极构件的表面上形成，其中所述阴极构件被配置成沿着铝电解池的底板配合，进一步，其中所述阴极构件配置有阴极壁角，所述阴极壁角具有与大体上水平的平面相比时成角度的或倾斜的配置(即，具有最靠近浴液-蒸汽界面的上端、最靠近池的底部的下端、以及定位在上端与下端之间的中部)，其中经由所述阴极壁角，所述阴极构件被配置用于从其表面朝向阴极构件的下端排放金属产物；并且所述阴极构件进一步配置有沿着阴极的下端的阴极排放角(例如任选地，与配置/附接至一个或多个阴极构件的阴极块组合)，使得经由阴极壁角排放的金属产物被阴极排放角进一步引导至沿着池中的阴极区域定位/邻近池中的阴极区域定位的收集区域(例如贮槽)中(例如贮槽沿侧廊、端廊、或在阴极构件之间配置/定位)。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着阴极组件的内部区域定位(例如远离侧壁或端壁)。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着侧壁定位。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着两个侧壁(例如大体上彼此相对的)定位。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着端壁定位。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着两个端壁(例如大体上彼此相对的)定位。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着侧壁和端壁定位。

在一些实施方案中，收集区域(例如贮槽)沿着侧壁和端壁二者(例如大体上围绕池的内周界周向地配置)定位。

在一些实施方案中，阴极组件配置有在具有阴极壁角的阴极构件与收集部分(例如贮槽)之间的大体上水平的部分(例如搁板)。

在一些实施方案中，与贮槽相邻的阴极构件配置有延伸的阴极壁角，使得金属从阴极构件直接排放到贮槽中(例如在构件与收集部分/贮槽之间没有定位搁板)。

在一些实施方案中，池被连续地输出(tapped)(例如以从池中移除金属产物)。

在一些实施方案中，池被周期性地输出(以重复的非连续的频率从池中移除金属产物)。

在一些实施方案中，提供了一种铝电解池，包括：由多个阴极构件配置成的阴极组件，所述阴极构件具有足以促使金属产物朝向阴极组件的下端排放的阴极壁角；由多个阳极配置成的阳极组件，其中每个阳极是单体式碳块，所述单体式碳块具有被配置成与所述阴极组件的阴极壁角对应的阳极轮廓；其中阴极组件的阴极构件和阳极组件的阳极配置成竖直取向(例如具有间隔的阳极-阴极-阳极-阴极配置)。

在一些实施方案中，经由阳极轮廓，在电解产生金属产物(例如铝)的过程中，优化阳极至阴极距离。

在一些实施方案中，阳极轮廓配置有斜切/成角度的边缘(例如尖锐边缘)。

在一些实施方案中，阳极轮廓配置有弧形边缘(圆形边缘)。

在一些实施方案中，阳极轮廓通过以下方式配置：加工阳极以为所述阳极配置沿着其侧壁的多个倾斜/斜切的边缘，所述边缘与阴极组件轮廓/尺寸(例如阴极构件的壁角)对应。

在一些实施方案中，阳极轮廓通过以下方式配置：制造具有阳极轮廓的阳极(例如将沥青和焦炭混合；将混合物引导到配置有生阳极(green anode)轮廓的模具中；振动在模具中的混合物以确保在模具中适当的压实和分配；并且焙烧具有生阳极轮廓的生阳极以提供具有阳极轮廓的阳极；并且使用销对阳极进行销钉，所述销被配置用于将电流从销引导至阳极)。

在一些实施方案中，每个阳极进一步配置有沿着所述阳极的下端配置(例如大体上与阴极组件的大体上水平的部分相对)的至少一个阳极槽(例如多个平行的阳极槽)，所述阳极槽被配置用于引导气泡和/或捕获的气体离开所述阳极的下端并且进入所述熔融电解质浴中。

在一些实施方案中，提供了一种铝电解池，包括：具有多个阴极构件的阴极组件，所述阴极构件配置有阴极壁角(例如以引导熔融金属产物朝向阴极壁的下端，通常邻近池的底部/底板)，其中所述阴极组件进一步配置有阴极排放角(例如以将熔融金属产物引导至收集区域/贮槽中)；由多个碳阳极配置成的阳极组件，所述碳阳极具有与阴极壁角和阴极排放角对应的阳极轮廓以促成大体上均匀的阳极至阴极距离(例如在可接受和/或预定阈值内的范围)；其中阴极组件的阴极构件和阳极组件的阳极配置成竖直取向(例如具有间隔的阳极-阴极-阳极-阴极配置)。

在一些实施方案中，提供了一种方法，包括：从常规的有色金属电解熔炼池中移除阳极组件；将阴极组件机械附接至池底部(例如阴极块)，其中所述阴极组件配置有多个由铝可润湿性材料构建的阴极构件，其中每个阴极构件配置有阴极壁角以促使金属产物从所述阴极构件的上部或中部排放至所述阴极构件的下部；并且插入包括多个阳极的阳极组件，其中所述阳极配置有大体上与所述阴极壁角对应的斜切边缘，使得无论是在所述阴极组件的对应的大体上水平的部分与阳极之间测量的还是在具有阴极壁角的阴极构件与所述阳极的斜切边缘之间测量的，阳极至阴极距离都是恒定的(例如在预定范围内)。

在一些实施方案中，所述方法包括将配置在所述池中的熔融盐浴加热。

在一些实施方案中，所述方法包括：将原料材料进料到所述池中，其中所述原料含有期望的金属产物(例如铝金属)的金属化合物(例如氧化铝)。

在一些实施方案中，所述方法包括在所述池中电解地产生金属(例如通过电解将含金属化合物的原料材料转化为金属产物)。

在一些实施方案中，将一个或多个上述阴极组件改装到预焙池(例如配置用于电解制造铝金属)中。

在一些实施方案中，将一个或多个上述阴极组件改装到自焙(Solderberg)池(例如配置用于电解制造铝金属)中。

在一些实施方案中，阴极配置呈3D结构，所述3D结构使得能够在扩展表面处制造铝(例如与如在沿着池底部配置的单体式阴极块中相比，增加表面积)。

在一些实施方案中，3D阴极配置能够实现对应的阳极配置(例如单体式碳阳极(anodic)，其具有互补尺寸和配置以促成与常规熔炼池相比一致的阳极至阴极距离，并且因此，能够实现降低的阳极至阴极距离和相应降低的阳极至阴极距离与欧姆电压降)。

在一些实施方案中，与2D传统熔炼池相比，电极表面积(例如阳极至阴极工作区域)增加。

在一些实施方案中，阳极和阴极的反应表面增加。

在一些实施方案中，与2D传统熔炼池相比，阳极至阴极距离降低。

在一些实施方案中，在所公开的3D池配置的情况下，每个池的覆盖区域(footprint)的铝生产率增加。

在一些实施方案中，在低的阳极至阴极距离(ACD)的情况下，单位铝产生的能耗降低。

在一些实施方案中，与2D池相比，本公开内容的3D池具有增加的池寿命。

在一些实施方案中，3D配置可以改装到现有电解池上(例如以使经改装的池配置有提高的生产率、降低的能耗、降低的等效CO2排放，同时避免大量资本投资(例如与2D池或2D罐线的全新构造相比)。

在一些实施方案中，本公开内容涉及在电解池中使用新型阴极结构(例如铝可排放式阴极)以使得能够在阴极结构的表面上产生熔融铝的同时将所述熔融铝排放(例如通过Al可润湿性阴极表面和组合的重力)，以排放到收集区域(例如贮槽)用于收集(例如周期性或连续地输出)。在一些实施方案中，阴极结构由铝可润湿性材料或使用铝可润湿性材料配置成，以使得能够在阴极结构的表面上产生熔融金属，从而与没有这种阴极结构的产生相同金属的常规电解池相比，(1)增加有效表面积以增加电解池中的金属产量和/或(2)降低阳极阴极距离以降低电解池中的能耗。在一些实施方案中，本公开内容涉及使用本文所述的新型阴极结构改装现有熔炼炉。在一些实施方案中，阴极结构被配置为降低阳极效应(例如减少温室气体比如四氟化碳的形成)并且增加电解池寿命。

现在将详细参考本发明的各种实施方案。以下描述实施方案以提供对本发明的组件、过程辅助装置的更完整的理解。给出的任何实施例旨在是说明性的而非限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有明确规定，否则以下术语采用本文明确相关的含义。如本文所用的短语“在一些实施方案中”和“在实施方案中”不一定指的是相同的一个或多个实施方案，尽管它们可以这样。此外，如本文所用的短语“在另一个实施方案中”和“在一些其他实施方案中”不一定是指不同的实施方案，尽管它们可以这样。如下所述，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以容易地组合本发明的各种实施方案。

如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”是包含性操作符，并且等同于术语“和/或”。除非上下文明确规定，否则术语“基于”不是排他性的并且允许基于未描述的其他因素。另外，在整个说明书中，“一个”、“一种”和“所述”的含义包括复数引用。“在......中”含义包括“在......中”和“在......上”。

实施例

完成计算机建模仿真，将两种常规铝熔炼技术(自焙熔炼和预焙池熔炼)与在本公开内容的实施方案的情况下(例如在改装应用——选项1-3中或在全新应用中)部署的这些类型的熔炼进行比较。对于选项1-3(改装)和全新选项中的每一个，阴极结构高度w³/_4S变化，其中选项1最高，选项3最低，并且选项2的高度处于中间。其他两个变量，阴极结构角和排放角，保持为在本公开内容中阐述的限定范围内的值。对于全新建模，假设罐的设计可以相比于改装有变化(例如适应更大的罐设计、更大的总线机构和整流站(rectifyingstation)、和使来自电解池的金属产量最大化而采用的其他设计选项)。

图2A描绘了特定自焙熔炼炉对比本公开内容的4个实施方案(选项1-3——改装和选项4——全新)的预计(projected)性能。图2A(上图)描绘了对于每个改装选项和全新选项，当与常规自焙熔炼炉相比时，本公开内容的实施方案的能耗减少量(改进的能量使用)。在所有四个实施方案的情况下，当与现有的传统自焙熔炼炉相比时，存在预计的能耗改进(更低的能耗)。

图2A(下图)描绘了对于每个改装选项和全新选项，当与常规自焙熔炼炉相比时，本公开内容的实施方案的产能(每年产生的铝金属的量)。在所有四个实施方案的情况下，当与现有的传统自焙熔炼炉相比时，存在预计增加的产能(产生更多铝)。

图2B提供了特定预焙池熔炼炉对比采用本文所述的倾斜阳极和阴极配置的改装的和全新的预焙池(预焙阳极)技术的对比实例。

图2B描绘了特定预焙熔炼炉对比本公开内容的4个实施方案(选项1-3——改装和选项4——全新)的预计性能。图2B(上图)描绘了对于每个改装选项和全新选项，当与常规预焙池熔炼炉相比时，本公开内容的实施方案的能耗减少(改进的能量使用)。在所有四个实施方案的情况下，当与现有的传统预焙熔炼炉相比时，存在预计的能耗改进(更低的能耗)。

图2B(下图)描绘了对于每个改装选项和全新选项，当与常规预焙池熔炼炉相比时，本公开内容的实施方案的产能(每年产生的铝金属的量)。在全部四个实施方案的情况下，当与现有的传统预焙池熔炼炉相比时，存在预计增加的产能(产生更多铝)。

附图标记：

装置10

阴极组件12

阴极构件14

阴极结构16

下端18

中端20

上端22

阴极结构的成角度/倾斜的配置24

机械附接设备26

阴极构件上的阳延伸部分28

阴附接部分30

粘合剂或胶水32

阴极板34

阴极块36

阴极贴片38

阴极涂层(例如铝可润湿性涂层)40

支撑构件42

阴极排放角44

阴极高度46

阴极块/底板48

池50

侧壁52

阳极54

阳极组件56

阳极销/杆电连接(例如结构支撑件)58

阳极槽60

阳极边缘(例如对应的轮廓)62

阳极轮廓64

阳极阴极距离66

阳极阴极重叠部分68

金属产物70

浴液72

浴液蒸汽界面74

金属浴液界面76

贮槽78

侧80

端82

中间(例如间隔在阳极组件与阴极组件之间)84

辅助总线85

虽然已详细描述了本发明的特定实施方案，但是本领域技术人员将理解，鉴于本公开内容的全部传授内容可以开发出这些细节的各种修改和替代方案。因此，所公开的特定布置意在对于本发明的范围仅仅是说明性的而不是限制性的，本发明的范围被给予所附权利要求及其任何和全部等价物的全部范围。

Claims (31)

1.一种用于电解产生金属产物的装置，其包括：

设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，

其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，

其中所述阴极结构包括(a)具有第一壁和相对的第二壁的支撑构件以及(b)附接至所述支撑构件的至少两个阴极板，

其中第一阴极板被附接至所述支撑构件的第一壁，

其中第二阴极板被附接至所述支撑构件的第二壁，

其中所述至少两个阴极板被配置为至少部分地浸入熔融电解质浴中，

其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，

其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述电解池的碳底板排放金属产物。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构具有三角形几何结构。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构的倾斜表面具有15度至不大于89度的壁角。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构的高度是所述熔融电解质浴的高度的5％至95％。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构的上端是成角度的。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述阴极结构的上端具有弧形边缘。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述至少两个阴极板被机械附接至所述电解池的底板，其中所述至少两个阴极板和所述电解池的底板限定空体积。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构是多个阴极结构之一，其中阴极组件包括所述多个阴极结构，并且其中所述多个阴极结构沿着所述电解池的底板呈大体上平行、间隔的配置被设置。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述支撑构件包括碳块，其中所述第一壁是第一碳块壁，其中所述第二壁是第二碳块壁，其中所述第一阴极板被附接至所述第一碳块壁，并且其中所述第二阴极板被附接至所述第二碳块壁。

10.如权利要求9所述的装置，其中铝可润湿性涂层至少部分地覆盖所述碳块的上表面。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述支撑构件包括非铝可润湿性部件，并且其中所述至少两个阴极板中的至少一个包括铝可润湿性部件。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述至少两个阴极板中的至少一个至少部分地由粘附至所述支撑构件的多个贴片限定。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述电解池的底板包括阴极排放角。

14.如权利要求13所述的装置，其包括与所述电解池的底板相邻的收集区域，其中所述电解池的底板的所述阴极排放角足以将所述金属产物引导至所述收集区域。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述阴极排放角是0度至15度。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述阴极排放角是0.1度至15度。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述阴极排放角是1度至5度。

18.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极板被完全地浸入所述熔融电解质浴中。

19.如权利要求1所述的装置，其中所述支撑构件包括从所述支撑构件的底部部分延伸的阳构件，

其中阴极底板包括配置用于接收所述支撑构件的阳构件的阴部分，

其中所述支撑构件经由所述支撑构件的阳构件与所述阴极底板的阴部分的接合被连接至所述阴极底板。

20.如权利要求1所述的装置，其中阴极底板包括第一槽和第二槽，其中所述第一阴极板位于所述第一槽中，并且其中所述第二阴极板位于所述第二槽中。

21.如权利要求1所述的装置，其中所述支撑构件由第一材料构成，并且其中所述第一阴极板由第二材料构成，其中所述第一材料不同于所述第二材料。

22.如权利要求21所述的装置，其中所述第一材料是非铝可润湿性的，并且其中所述第二材料是铝可润湿性的。

23.如权利要求22所述的装置，其中所述第二材料是金属硼化物。

24.如权利要求23所述的装置，其中所述金属硼化物包括硼化钛。

25.如权利要求21所述的装置，其中所述第一材料选自由耐火材料、非铝可润湿性陶瓷材料、碳质材料、复合碳-陶瓷材料及其组合组成的组。

26.如权利要求1所述的装置，其中所述第一阴极板和所述第二阴极板在所述支撑构件的顶点附近连接。

27.一种用于电解产生金属产物的方法，其包括：

(a)将阴极组件机械附接至金属电解池的底部，其中所述阴极组件包括多个阴极结构，其中所述多个阴极结构中的至少一个阴极结构包括(a)具有第一壁和相对的第二壁的支撑构件以及(b)附接至所述支撑构件的至少两个阴极板，其中第一阴极板被附接至所述支撑构件的第一壁，其中第二阴极板被附接至所述支撑构件的第二壁，其中所述至少一个阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，其中所述至少一个阴极结构的倾斜表面足以使金属产物从所述至少一个阴极结构的上部或中部流动至所述至少一个阴极结构的下部；

(b)预热所述金属电解池；

(c)将阳极组件定位在所述金属电解池内，其中所述阳极组件包括多个碳阳极，其中所述多个碳阳极中的至少一个阳极包括与所述至少一个阴极结构的倾斜表面对应的阳极轮廓。

28.如权利要求27所述的方法，其包括：

加热在所述金属电解池中的熔融盐浴，使得在所述加热步骤后，所述多个阴极结构至少部分地浸入所述熔融盐浴中；

将原料材料进料到所述金属电解池中，其中所述原料材料包括期望的金属产物的金属化合物；并且

在所述金属电解池中电解地产生所述期望的金属产物。

29.如权利要求27所述的方法，其中所述金属电解池是铝电解池。

30.如权利要求28所述的方法，其中所述多个阴极结构被完全地浸入所述熔融盐浴中。

31.如权利要求27所述的方法，其中在改装所述金属电解池期间进行步骤(a)-(c)。

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