CN115485419A - 用于启动电解槽的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于启动电解槽的系统和方法。该系统和方法特别适合于在槽中安装预热的阳极之前预热具有阴极的电解槽或釜以用于金属(例如，铝)的生产。该系统包括替换阳极组件安装在槽中的一个或多个电加热器，并且该系统可以与干浴或液体熔融浴(例如，冰晶石)一起使用。优选地，通过与阳极组件一样多的槽预热器预热槽。优选地，通过在釜的汇流排中可用的电流为槽预热器供电。由于优选地适合于预热与惰性阳极或析氧阳极一起工作的槽，因此本发明是环境友好的。此外，该启动方法允许优化/降低启动电解槽所需的时间，同时确保材料位于槽内。

Description

用于启动电解槽的系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请主张2020年5月1日在美国专利与商标局提交的标题为“用于启动电解槽的系统和方法”的美国临时专利申请第63/018,680号的优先权，该专利申请的内容作为参考并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及用于启动电解槽的系统及其方法，如在(例如)用于生产金属，如铝的预热槽中安装阳极组件前预热槽或釜。

背景技术

在具有用于铝电解生产的碳阳极的常规Hall-Heroult槽中，在启动前使用位于阳极和阴极之间起到电阻作用的含碳材料床，通过气体或燃料燃烧器(电路打开)或者通过焦耳效应(电路关闭)预热槽。

含碳电阻床的使用与用于惰性电极，如惰性阳极或析氧阳极制备的电极材料化学不相容。此外，当浴在预热结束时将熔融时，含碳床的疏松颗粒将漂浮在浴中并且可以对阳极寿命具有不利影响。

气体或燃料直接加热的使用不适用于其内衬可能包括一些对热冲击敏感的材料的惰性阳极槽，因为考虑到电解槽的几何形状，难以防止火焰与材料接触并因此难以在整个槽中确保光滑且受控加热的曲线和均一的温度。

因此，在金属，如铝的生产中，需要可以与惰性电极，如析氧阳极一起使用的新型预热系统以及用于预热和启动电解槽的方法。

发明内容

一般地，通过用于预热通常用于金属，如铝的电解生产的电解槽的新系统和方法以及使用该系统或方法用于启动电解槽的新方法减轻了现有技术缺点。

本发明首先涉及用于预热电解槽的预热系统。电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴。预热系统包括至少一个电加热器，该至少一个电加热器被配置为安装在电解槽中替换至少一个阳极组件以用于在将至少一个阳极组件安装到槽中之前预热槽。

根据优选实施方式，至少一个电加热器被配置为：一旦安装在浴中，提供与至少一个阳极组件的电阻R_AA相等的电阻R_CH，从而电解槽的电分布和热分布在由至少一个阳极组件替换至少一个电加热器期间保持平衡。

根据另一个优选实施方式，至少一个电加热器被配置为：一旦安装在浴中，提供调节至与至少一个阳极组件的电阻R_AA相等的可变电阻R_CH，从而电解槽的电分布和热分布在由至少一个阳极组件替换至少一个电加热器期间保持平衡。

根据优选实施方式，电解槽被配置为接纳N_AA个至少一个阳极组件，其中N_AA≥1，预热系统则包括N_CH个至少一个电加热器，其中N_CH≥1。至少一个电加热器中的每一个被配置为替换至少一个阳极组件来安装在电解槽中，其中N_CH＝N_AA；并且至少一个电加热器中的每一个还包括可操作地连接至至少一个电加热器中的每一个的电源模块以用于通过电流为至少一个电加热器供电，以用于预热电解槽。

根据优选实施方式，电源模块被配置为将电解槽的主汇流排连接至至少一个电加热器中的每一个以用于提供在主汇流排中可用的电流。

根据优选实施方式，预热系统具有由电流的电流强度A和N_CH个槽加热器的电阻R_CH所施加的功率P，其中P＝(R_CH/N_CH)*A²，则P大于加热槽所需的功率，从而产生过剩的能量，槽则被配置为排出过剩的热量。

根据优选实施方式，预热系统还包括位于预热系统顶部的至少一个电阻以排出过剩的热量。

根据优选实施方式，阴极组件和阳极组件分别包括多个垂直阴极和垂直阳极。

根据优选实施方式，如本文所定义的预热系统还可以用于维持预热的槽的温度。

根据优选实施方式，如本文所定义的预热系统还可以用于在金属生产期间替换电解槽的至少一个阳极组件中的一个有缺陷的阳极组件并且用于维护和/或替换有缺陷的阳极组件。

根据优选实施方式，待生产的金属是铝，并且至少一个阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

本发明还涉及用于预热电解槽的方法，电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于铝电解生产的电解浴。方法包括以下步骤：用替换至少一个阳极组件的、安装在电解槽中的至少一个电加热器预热电解槽。

根据优选实施方式，如本文所定义的方法还可以包括以下步骤：一旦已达到电解槽的给定温度，则在电解槽中引入电解浴；并且用至少一个阳极组件替换至少一个电加热器。

根据优选实施方式，预热电解槽的步骤可以包括以下步骤：在浴中提供与至少一个阳极组件的电阻R_AA相等或几乎相等的电阻R_CH，从而槽的电分布和热分布在通过阳极组件替换电加热器期间保持平衡。

根据优选实施方式，预热电解槽的步骤可以包括以下步骤：向至少一个电加热器提供可变电阻R_CH；并且一旦安装在浴中，则调节可变电阻R_CH直至等于至少一个阳极组件的电阻R_AA，从而电解槽的电分布和热分布在通过至少一个阳极组件替换至少一个电加热器期间保持平衡。

根据优选实施方式，电解槽被配置为接纳N_AA个至少一个阳极组件，其中N_AA≥1，方法包括以下步骤：在电解槽中安装N_CH个电加热器，其中N_CH≥1，以替换至少一个阳极组件，其中N_CH＝N_AA；并且通过电流为至少一个电加热器中的每一个供电以用于加热电解槽。

根据优选实施方式，为至少一个电加热器中的每一个供电的步骤包括以下步骤：将在电解的主汇流排中可用的电流提供给至少一个电加热器中的每一个。

根据优选实施方式，如本文所定义的方法还可以在电解槽的预热期间包括以下步骤：从槽排出过剩的热量。

根据优选实施方式，如本文所定义的方法还可以包括以下步骤：通过为替换至少一个阳极组件的、安装在电解槽中的至少一个电加热器中的至少一个供电，维持预热槽的温度。

根据优选实施方式，如本文所定义的方法还可以包括以下步骤：在金属生产期间替换电解槽的至少一个阳极组件中的一个有缺陷的阳极组件以用于维护和/或替换有缺陷的阳极组件。

根据优选实施方式，通过如本文所定义的方法生产的金属是铝，并且至少一个阳极组件包括多个惰性阳极或析氧阳极，更优选地根据电极的垂直构造。

本发明还涉及启动用于生产金属的电解槽的方法，电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴，电解浴在环境温度下是干浴。方法包括：

在环境温度下，在电解槽中提供干浴；

在环境温度下，在电解槽中安装至少一个加热元件以替换至少一个阳极组件；

通过向至少一个加热元件中的每一个提供电流，来加热电解槽；

一旦在电解槽中达到给定温度，则控制由于至少一个加热元件所造成的干浴熔融，并且任选地，将一部分电解浴以其液体形式注入电解槽以补满电解槽；

将待生产的金属的一部分注入电解槽；以及

由阳极组件替换至少一个加热元件中的一个或多个直至从电解槽去除至少一个加热元件中的每一个。

本发明还涉及启动用于生产金属的电解槽的方法，电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴，电解浴是液体熔融浴。方法包括：

在环境温度下，在电解槽中安装至少一个加热元件以替换至少一个阳极组件；

通过向至少一个加热元件中的每一个提供电流，来加热电解槽；

一旦在电解槽中达到给定温度，则在电解槽中倾倒液体熔融浴和任选地待生产的金属的一部分；以及

由阳极组件替换至少一个加热元件中的一个或多个直至从电解槽去除至少一个加热元件中的每一个。

根据上述两种方法(使用干浴或液浴)的优选实施方式，对于待安装在电解槽中的一个阳极组件，从电解槽去除N_HE个加热元件，其中N_HE≥1并且N_HE取决于由N_HE个加热元件所提供的总电阻R，R选择为接近或几乎等于至少一个阳极组件的电阻R_AA。

根据优选实施方式，加热元件中的每一个包括至少一个电阻，其中当存在不止一个至少一个电阻时，至少一个电阻中的每一个并联电气连接。

根据优选实施方式，通过将在电解槽内部所产生的热向至少一个阴极组件分布，进一步加热电解槽。优选地，在考虑温度上升的情况下实施热量在电解槽内部的分布，温度上升取决于在电解槽内部加热的材料的性质。

根据优选实施方式，上述两个方法(使用干浴或液浴)还可以包括以下步骤：从电解槽排出过剩的热量。优选地，通过在至少一个加热元件的顶部设置至少一个额外的电阻来实施过剩的热量的排出。更优选地，可以通过位于电解槽顶部的电解槽的排气系统从电解槽排出过剩的热量。

根据优选实施方式，上述两个方法(使用干浴或液浴)还可以包括以下步骤：保护避免加热电解槽的侧壁。优选地，防止侧壁受热包括以下步骤：通过使用从侧壁延伸的保护性材料，迫使热量从至少一个加热元件循环至至少一个阴极组件。

根据优选实施方式，对于上述两种方法(使用干浴或液浴)，预热电解槽的给定温度在2至5天之间的时间段后达到，并且在700至1000℃之间。优选地，待生产的金属是铝，并且至少一个阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

由于特别适合于使用惰性阳极或析氧阳极预热电解槽，因此本发明是环境友好的，无论在电解浴中安装阳极组件之前在槽中具有或不具有电解浴。

通过阅读将要在所附权利要求中描述或者将在所附权利要求中指明的说明性实施方式，将更好地理解本发明的其它和进一步的方面和优势，并且通过实际使用本发明，本领域技术人员将能想到未在本文中提及的多种优势。

附图说明

参考附图，根据以下描述，本发明的以上及其它方面、特性和优势将变得更加显而易见，其中：

图1是根据优选实施方式的阳极组件的示意图；

图2是根据优选实施方式的具有垂直阳极和阴极组件的电解槽的前视图；

图3是根据优选实施方式，图2中沿线A-A所示的电解槽的横截面视图；

图4是根据优选实施方式的槽预热器的示意性前视图；

图5是根据优选实施方式，图4中所示的槽预热器的示意性侧视图。

图6是根据不同优选实施方式，图4和5中所示的槽预热器的示意性仰视图。

图7是根据优选实施方式，安装在电解槽或釜中并且连接至电源环路的槽预热器的示意图；

图8是根据另一个优选实施方式，安装在电解槽或釜中并且连接至釜汇流排的槽预热器的示意图；

图9是根据另一个优选实施方式，安装在槽中的多个槽预热器的示意图；

图10是根据另一个优选实施方式，安装在槽中的多个槽预热器的示意图，其中在槽预热器顶部具有电阻以耗散过剩的热量；

图11是根据优选实施方式，显示预热方法的流程图；

图12是根据第一优选实施方式，显示图11所示方法的预热步骤的流程图；

图13是根据第二优选实施方式，显示图11所示方法的预热步骤的流程图；

图14是根据优选实施方式，显示使用干浴的启动方法的流程图；和

图15是根据优选实施方式，显示使用液体熔融浴的启动方法的流程图。

具体实施方式

在下文中将描述新型系统、方法和过程。尽管就具体说明性实施方式描述了本发明，但是应理解本文所描述的实施方式仅通过实例方式并且不意欲借此限制本发明的范围。

通过说明本发明的原理和方面的具体实施方式的实例，提供了以下描述以及其中所描述的实施方式。出于解释而非限制本发明那些原理的目的提供了这些实例。在以下描述中，在整个说明书中以相同的各自附图编号标记类似的部件和/或步骤并绘图。

本文所使用的术语根据以下所列定义。

“约”表示时间、电阻、电流强度、体积或温度值可以基于用于评价该时间、电阻、电流强度、体积或温度的方法或装置的误差限在特定范围内改变。

本文所使用的表达“阳极组件”表示涵盖一个单一阳极或者多个阳极。

本文所使用的表达“阴极组件”表示涵盖一个单一阴极或者多个阴极。

如前所述，如本文所公开的，本发明首先涉及用于预热电解槽的预热系统。

如图2和3所示，在下文中电解槽10或仅槽或釜通常包括底壁13和由此延伸出的侧壁15，并且其被配置为接纳用于金属，如铝的电解生产的电解浴12。浴12可以是在环境温度下将要熔融的干固体浴，或者是包括电解质，如冰晶石(NaiAlFe)的液体熔融浴。槽10也包括具有至少一个阴极，如(但不限于)垂直阴极的至少一个阴极组件20。

进一步配置槽10以用于接纳至少一个相应阳极组件30，如图1所示。阳极组件30具有至少一个阳极32。优选地，阳极组件30包括多个垂直阳极，一旦插入槽中其向下朝阴极组件方向延伸(图2和3)。包括垂直阴极组件或模块和垂直阳极组件或模块的电解槽的实例公开于美国专利号US 10,415,147B2(ELYSIS LIMITED PARTNERSHIP)，该专利的内容由此作为参考并入本文。其它电解槽的构造也可以认为在本发明的范围内。

在图4和5上显示了根据本发明的优选实施方式的预热系统。预热系统100可以包括至少一个电加热器110并且被配置为安装在电解槽中以替换相应阳极组件，如图7和8所示，用于在将相应阳极组件安装在槽中之前预热槽。如图6所示，电加热器110可以包括具有不同构造的电阻(R)。

根据优选实施方式，将每个电加热器110被配置为在浴中提供与相应阳极组件的电阻R_AA接近或相等的电阻R_CH。作为另外一种选择，电阻R_CH可以是可变的并且一旦安装在浴中，外源(outsourcely)调节至与阳极组件的电阻R_AA相等。在两种情况下，接近或等于电阻R_AA的电阻R_CH允许在将电解浴引入槽之前，槽的电分布和热分布在通过阳极组件对电加热器的替换期间保持平衡。根据另一个优选实施方式，可以允许一些余热以补偿预热器顶部的热耗散。

根据优选实施方式，电解槽10可以包括一个或多个阴极组件20并且其被配置为接纳N_AA个相应阳极组件30。然后，预热系统100可以包括N_CH个电性槽加热器，并且其被配置为安装在槽10中以替换相应阳极组件，其中N_CH＝N_AA。如图9所示，电加热器(电阻)的数目还可以大于阳极组件的数目。电源模块120可以可操作地连接至电加热器110中的每一个以用于通过电流为电加热器供电，以产生热量用于加热电解槽10。电流可以具有固定或可变强度。

根据优选实施方式，如图7中所示的一个实施方式，配置电源模块以将槽10的电源环路14连接至电加热器中的每一个以用于提供电流。

根据优选实施方式，如图8中所示的一个实施方式，配置电源模块以将电解槽的主汇流排16连接至电加热器中的每一个以用于提供在主汇流排中可用的电流。可以从具有电压极低(例如，2至5伏的直流)且电流强度极高(例如，15至50kA)的电流的电解槽系列汇流排向槽预热器提供电流。作为另外一种选择，可以从外部源提供整个或部分功率。

根据优选实施方式，预热系统具为通过电流的电流强度A和N_CH个槽加热器的电阻R_CH所施加的功率P，其中：P＝(R_CH/N_CH)*A²。P大于加热槽所需的功率，从而产生能量剩余。然后，可以配置槽预热器以排除这种过剩的能量。

如前所述，如本文所公开的，本发明进一步涉及用于预热电解槽的方法，电解槽包括至少一个垂直阴极组件并且被配置为接纳至少一个相应垂直阳极组件和用于铝电解生产的电解浴。如图11所示，方法1000包括用安装在电解槽中的至少一个电加热器替换相应阳极组件来预热槽的步骤1100。优选地，方法1000还包括一旦已达到电解槽的给定温度，在电解槽中引入电解浴的步骤1200；然后，通过至少一个阳极组件替换至少一个电加热器的步骤1300。

根据图12所示的优选实施方式，方法1000的预热步骤1100可以在于在浴中提供与至少一个阳极组件的电阻R_AA几乎相等的电阻R_CH，从而槽的电分布和热分布在通过阳极组件替换电加热器期间保持平衡1110。

根据如图13所示的另一个优选实施方式，预热步骤1100可以首先包括向至少一个电加热器提供可变电阻R_CH的步骤1120；然后，一旦安装在浴中，调节可变电阻R_CH直至等于至少一个阳极组件的电阻R_AA，从而电解槽的电分布和热分布在通过至少一个阳极组件替换至少一个电加热器期间保持平衡的步骤1130。可以通过调节通过电阻所提供的电流的量来实施电阻R_CH的调节。

根据优选实施方式，电解槽被配置为接纳N_AA个至少一个阳极组件，其中N_AA≥1。然后，方法1000可以包括在电解槽中安装N_CH个电加热器的步骤，其中N_CH≥1，以替换至少一个阳极组件，其中N_CH＝N_AA；然后，用电流为至少一个电加热器中的每一个供电以用于加热电解槽。优选地，为至少一个电加热器中的每一个供电可以包括将在电解的主汇流排中可用的电流提供给至少一个电加热器中的每一个的步骤。提供给加热器的电流优选地在釜的主汇流排中可用。例如，在汇流排中可用的电流可以具有极低电压(例如，2至5伏的直流)和极高电流强度(例如，15至50kA)。

根据优选实施方式，方法1000还可以包括在电解槽的预热期间从槽排出过剩的热量的步骤。

根据优选实施方式，方法1000还可以包括通过为替换至少一个阳极组件的安装在电解槽中的至少一个电加热器中的至少一个供电，维持预热槽的温度的步骤。

根据优选实施方式，方法1000还可以包括在金属生产期间在电解槽的至少一个阳极组件中替换一个有缺陷的阳极组件以用于有缺陷的阳极组件的维持和/或替换的步骤。

根据优选实施方式，方法还可以包括从槽排出过剩的能量。下文提供了排出过剩的能量的方式。

根据优选实施方式，要在槽启动后生产的金属是铝，并且阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

本文还公开了用于启动生产金属的电解槽的方法。电解槽通常包括至少一个阴极组件，其被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属，如铝的电解生产的电解浴。电解浴可以是固体或液体。在环境温度下，固体浴通常包括固体冰晶石和优选地其它添加剂，然后在方法的下一步之前，用固体浴填充电解槽。液浴通常包括在给定温度下(通常大于700℃)已熔融的冰晶石和优选地其它添加剂。

图14显示了当电解浴为干浴时的启动方法。方法2000首先包括在环境温度下在电解槽中提供干浴的步骤2100，然后在环境温度下，在电解槽中安装至少一个加热元件以替换相应阳极组件的步骤2200。如图9和10所示，每个电解槽10可以具有几个槽预热器100，每个槽预热器具有电加热器110，电加热器具有一个或多个电阻。每个电阻110可以具有不同的几何形状，如图6中所示的那些。

“环境温度”表示水解槽的直接环境温度，例如25℃±15℃的温度。事实上，由于从相邻釜中产生的热，电解车间中水解槽(釜)周围的环境温度可以更高，特别是在炎热气候时。作为另外一种选择，环境温度也可以更低，特别是在加拿大，在此电解车间一般不加热，由通过水解槽或釜所产生的热维持环境温度。

优选地，当存在不止一个电阻以形成预热系统100时，通常将电加热器110的N_CH个电阻R_CH连接，如并联。在具有多个N_CH个并联的相同的电阻R_CH的系统中，总电阻为R＝R_CH/N_CH。可以在不背离本发明的范围的情况下考虑用于电阻的其它连接类型。如图9或10所示，优选地将每个加热元件安装在电解槽顶部以替换阳极组件，其中电阻从顶部向通常位于电解槽底部的阴极延伸。可以在不背离本发明的范围的情况下考虑其它构造。

如图14所示的方法2000还可以包括通过向每个加热元件提供电流来加热电解槽的步骤2300。优选地，电流在槽的汇流排中可用。汇流排是导电棒，其通常由铜或铝制成，更优选地由铝制成，这使得电流从电源流向电极(例如，附图标记16，图8)。

优选地，可以通过有利地将电解槽内部的热向至少一个阴极组件20分布来进一步加热电解槽10和最终其中存在的干浴12。例如，考虑温度上升，热可以有利地在电解槽内部分布，温度上升取决于在电解槽内部加热的材料的性质。在这种意义上，电解槽可以具有用于保护侧壁13的保护性材料。例如，通过使用从电解槽的侧壁或侧面壁延伸出的保护性材料，将热循环从加热元件110向至少一个阴极组件20取向。需注意根据本发明的槽预热器具有侧面壁。优选地，预热器的侧面壁不需要由对加热升温速率敏感的材料制成，因为它们通常接触相邻的预热器(参见，例如，图9)。

如图14所示，使用干浴的方法2000还包括一旦在釜中达到给定温度，则控制由于加热元件所造成的电解槽中的干浴熔融的步骤2400，如下文详细描述的。本发明还有利地在于它允许预热槽，同时通过加热元件熔融干浴。

如图14所示，方法2000可以任选地包括将一部分液体熔融浴注入电解槽以补满电解槽的步骤2500，如有必要，其用于运行制备金属(例如，铝)的电解方法。的确，当使用干浴时，浴的体积在熔融时将减小，然后添加一部分液浴以补满电解槽。

如图14所示，方法2000还包括在槽10中注入一部分待生产的金属，如铝的步骤2600，以润湿阴极20和槽底13(更详细地参见下文)。

最终，如图14所示，方法2000还包括通过阳极组件替换加热元件中的每一个直至从电解槽去除所有加热元件的步骤2700。具体地，对于要安装在电解槽中的一个阳极组件，从中去除N_HE个加热元件，其中N_HE≥1并且N_HE取决于通过N_HE个加热元件所提供的总电阻R_CH，R_CH接近或几乎等于一个阳极组件的电阻R_AA。

图15显示了当电解浴使用已为液体，即热熔融电解浴时的启动方法3000。

方法3000首先包括在环境温度下，在电解槽中安装至少一个加热元件以替换至少一个阳极组件的步骤3100，然后通过向至少一个加热元件中的每一个提供电流以加热电解槽的步骤3200。一旦在电解槽中达到给定温度，则方法3000包括在电解槽中倾倒液体熔融浴和一部分待生产的金属的步骤3300。最终，方法3000包括通过阳极组件替换至少一个加热元件中的一个或多个直至从电解槽去除至少一个加热元件中的每一个的步骤3400。

根据用于制备金属的电解材料的性质估计本文列举的给定温度，并且给定温度可以在700至1000℃(或更大)之间，例如，当从氧化铝生产铝时。

通常，对于根据本发明的启动方法，在几天，如2至5天之间的时间段后达到了釜中的给定温度。电解浴可以包括用于产生铝的氧化铝，并且使用一部分金属，如铝使阴极可湿润。使阴极可湿润的其它选择公开于国际专利申请号WO 2018/009862 A1(LIU,Xinghua)，该专利申请的内容作为参考并入本文。例如，铝可湿润材料可以至少包括TiB₂、ZrB₂、HfB₂、SrB₂之一或其组合。

优选地，可以在移动并置于槽中之前，在槽的外部预热阳极组件。这特别适合使用惰性或析氧电极的电解槽。例如，可以参考国际专利申请号WO2021/035356(ELYSISLIMITED PARTNERSHIP)中所公开的运行电解槽的设备和方法，该专利申请的内容作为参考并入。

当槽加热器的电阻R_CH接近或几乎等于R_AA时，这可以表示大量热的产生。因此，方法还可以包括从槽排出过剩的热量的步骤。如图10所示，通过在至少一个加热元件100的顶部设置至少一个额外的电阻130来排出过剩的热量。优选地，通过位于电解槽上方的槽的顶部的排气系统从槽排出过剩的热量。可以在不背离本发明的范围的情况下考虑排出过剩的热量的其它方法。

如本文所公开的方法是特别有利的，因为它可以用于优化(例如，降低)启动电解槽所必需的时间，因此减少了启动电解槽所必需的能量，从而使得本发明环境友好，同时保证材料位于槽的内部(例如，惰性阳极)。

实施例

通常在本说明书中使用的缩写：

·AA：阳极组件

·GTC：气体处理中心

·HH：Hall Heroult

·IA：惰性阳极

·CTA：阴极输送组件

·PTA：釜养护组件

作为本发明主题的槽预热器是安装在槽中的电加热器而不是阳极组件。通过与阳极组件一样多的槽预热器预热槽。不同于通常为具有高电压(110-480V)和低电流强度(几百安培)的交流电的常规加热应用，通过在釜主汇流排中可用的电流，即使用极低电压(例如，2至5伏的直流)和极高电流强度(例如，15至50kA)为槽预热器供电。

另一种特性在于在预热结束时，当将液浴倒入槽中并且通过热阳极组件逐步替换槽预热器时，槽预热器的电阻优选地等于或几乎等于浴中阳极组件的电阻，从而槽的电分布和热分布在替换过程中不失衡，并且惰性阳极组件采取所期望的电流部分，而无过载或欠载。

最终，通过电解槽系列电流和对电阻的要求来施加槽预热器功率。该功率P＝电阻*电流强度^2大于加热槽所需的功率。因此，槽预热器需要能够排出剩余能量。

本文所公开的系统、方法和启动方法允许使用在整个槽中具有以均一方式受控的升温的垂直惰性阳极和阴极布置预热电解槽。

本文所公开的系统和方法允许在预热结束时，在槽起动程序期间，在通过阳极组件对槽预热器的逐步替换期间，电性分布不失衡。

此外，通过使用置于预热器顶部的额外的电阻，多余能量可以耗散并且不会有助于进一步加热槽。

选择1：将槽加热器连接至电源环路(图7)：

用于预热槽的替代方案是在480V用电流为槽预热器供电。然而，考虑到参与加热槽的功率(例如，对于AP45槽，约500kW-1MW)，这将意味着在槽附近具有发电机，其具有34根大电缆以连接至17个槽预热器，这在槽周围可用空间有限时，产生了大的逻辑问题。更重要地，它将产生不可克服的电解槽系列中480V AC的电性安全问题和桥接风险，和在极短时间内设置阳极组件以使得能够在槽中设置电解槽系列电流强度而不会使釜冷却的主要问题。

选择2：槽加热器可操作地连接至槽汇流排(图8)

启动程序：

·通过将汇流排分流至下一个串联的釜，使IA槽短路；

·配置第一釜养护组件(PTA)以具有槽预热器中的每一个并将槽预热器插入IA槽内部；

·将每个槽加热器连接至釜汇流排；

·去除分流器；在预定的一段时间(例如，约2-5天)后，开始釜预热，将电解槽预热至所期望的温度并且在槽内部引入一部分金属(例如，铝)和电解浴。电性断开槽加热器中的每一个，然后通过第一PTA移除，并立即使用被配置为将预热的AA输送并置于槽中的第二PTA通过预热的AA替换，同时维持预热的AA的温度。第二PTA，也称为“输送箱(TransferBox)”，使得能够避免浴的温度损失和对设备的热冲击，特别是当AA包括惰性阳极或析氧阳极时。在如上引用的No.WO2021/035356中公开了第二PTA的实例。

参数：

·必须正确计算槽中的槽加热器和AA的电阻，从而在通过AA对槽预热器的替换后获得正确的电流强度和热平衡(R_CH＝R_AA)。作为另外一种选择，可以调节或调制电阻以获得R_CH＝R_AA。

·完成了每个AA与等电位阳极汇流排的连接。

如前所述，在电解槽内部安装所有AA的时间必需足够短以避免温度损失和对设备的热冲击。

预热器系统的实例：

如图6所示，可以从具有不同构造的(例如，由电阻合金，例如，直径尺寸40mm的电阻合金制成的)固体棒制备电阻。电阻设计应优选地匹配在12,000A水平，5VDC标称槽电压的特征。电阻率耐受性覆盖了在5VDC时，12,500A的窗，即相对于16个加热器模块，在5VDC时，标称200,000A。预热器组件可以包括钢和耐热材料部件，两者均对浴耐受、加热面难熔且后方具有隔热难熔材料。

槽启动将通过AA替代槽预热器，AA已在预热箱中单独预热，从而避免了阳极热冲击，如在以上引用的WO2021/035356中所公开的。

实施例：预热器组件(例如，63kW旋塞式加热器-5VDC-14,400安培)可以包括：

·2-1/2”(约6.35cm)Sch.40Pipe

600合金；

·1-1/2”*4”(约6.35*10.16cm)电源线

600合金；

·上方塞尺寸：30”*58”*13-3/4”(76.2*147.32*34.93cm)；

·吊环；

·通过块状绝缘衬里的可浇铸耐火材料，具有耐火材料锚栓；用于元件管的支吊架；和

·普通钢运输架

尽管已在上文中详细描述了本发明的说明性且目前优选的实施方式，但是应理解可以另外不同地体现和使用本发明构思并且所附权利要求旨在被理解为包括这些变化，除非受现有技术限制。

Claims (34)

1.一种用于预热电解槽的预热系统，所述电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴，其中，所述预热系统包括：

至少一个电加热器，所述至少一个电加热器被配置为安装在所述电解槽中替换所述至少一个阳极组件以用于在将所述至少一个阳极组件安装到所述槽中之前预热所述槽。

2.根据权利要求1所述的预热系统，其中，所述至少一个电加热器被配置为：一旦安装在所述浴中，提供与所述至少一个阳极组件的电阻R_AA相等的电阻R_CH，从而所述电解槽的电分布和热分布在由所述至少一个阳极组件替换所述至少一个电加热器期间保持平衡。

3.根据权利要求1所述的预热系统，其中，所述至少一个电加热器被配置为：一旦安装在所述浴中，提供调节至与所述至少一个阳极组件的电阻R_AA相等的可变电阻R_CH，从而所述电解槽的电分布和热分布在由所述至少一个阳极组件替换所述至少一个电加热器期间保持平衡。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的预热系统，其中，所述电解槽被配置为接纳N_AA个至少一个阳极组件，其中N_AA≥1，所述预热系统则包括：

N_CH个至少一个电加热器，其中N_CH≥1，所述至少一个电加热器中的每一个被配置为安装在所述电解槽中替换所述至少一个阳极组件，其中N_CH＝N_AA；并且，所述预热系统还包括：

电源模块，所述电源模块能操作地连接至所述至少一个电加热器中的每一个以用于以电流为所述至少一个电加热器供电，以用于预热所述电解槽。

5.根据权利要求4所述的预热系统，其中，所述电源模块被配置为将所述电解槽的主汇流排连接至所述至少一个电加热器中的每一个以用于提供在所述主汇流排中可用的电流。

6.根据权利要求5所述的预热系统，其中，所述预热系统具有由电流的电流强度A和N_CH个槽加热器的电阻R_CH所施加的功率P，其中P＝(R_CH/N_CH)*A²，P大于加热所述槽所需的功率，从而产生过剩的能量，所述槽则被配置为排出过剩的热量。

7.根据权利要求6所述的预热系统，还包括至少一个电阻，所述至少一个电阻位于所述预热系统的顶部以排出所述过剩的热量。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的预热系统，其中，所述阴极组件和所述阳极组件分别包括多个垂直阴极和垂直阳极。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的预热系统，还用于维持所述预热槽的温度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的预热系统，还用于在金属生产期间替换所述电解槽的所述至少一个阳极组件中的一个有缺陷的阳极组件，并且用于维护和/或替换所述有缺陷的阳极组件。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的预热系统，其中，待生产的金属是铝，并且所述至少一个阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

12.一种用于预热电解槽的方法，所述电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于铝的电解生产的电解浴，所述方法包括：

用替换所述至少一个阳极组件的、安装在所述电解槽中的至少一个电加热器预热所述电解槽。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

一旦已达到所述电解槽的给定温度，则在所述电解槽中引入所述电解浴；以及

由所述至少一个阳极组件替换所述至少一个电加热器。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，预热所述电解槽包括：

在所述浴中提供与所述至少一个阳极组件的电阻R_AA相等或几乎相等的电阻R_CH，从而所述槽的电分布和热分布在由所述阳极组件替换所述电加热器期间保持平衡。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，预热所述电解槽包括：

向所述至少一个电加热器提供可变电阻R_CH；以及

一旦安装在所述浴中，则调节所述可变电阻R_CH直至等于所述至少一个阳极组件的电阻R_AA，从而所述电解槽的电分布和热分布在通过所述至少一个阳极组件替换所述至少一个电加热器期间保持平衡。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述电解槽被配置为接纳N_AA个至少一个阳极组件，其中N_AA≥1，所述方法包括：

在所述电解槽中安装N_CH个电加热器，其中N_CH≥1，以替换所述至少一个阳极组件，其中N_CH＝N_AA；以及

以电流为所述至少一个电加热器中的每一个供电，以用于加热所述电解槽。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，为所述至少一个电加热器中的每一个供电包括：

向所述至少一个电加热器中的每一个提供在所述电解槽的主汇流排中可用的电流。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，还包括在所述电解槽的预热期间：

从所述槽排出过剩的热量。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，还包括：

通过为替换所述至少一个阳极组件的、安装在所述电解槽中的所述至少一个电加热器中的至少一个供电，维持所述预热槽的温度。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，还包括：

在金属的生产期间替换所述电解槽的所述至少一个阳极组件中的一个有缺陷的阳极组件，以用于维护和/或替换所述有缺陷的阳极组件。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，其中，待生产的金属是铝，并且所述至少一个阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

22.一种用于启动用于生产金属的电解槽的方法，所述电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴，所述电解浴在环境温度下是干浴，所述方法包括：

在所述环境温度下，在所述电解槽中提供所述干浴；

在所述环境温度下，在所述电解槽中安装至少一个加热元件以替换所述至少一个阳极组件；

通过向所述至少一个加热元件中的每一个提供电流，来加热所述电解槽；

一旦在所述电解槽中达到给定温度，则控制由于所述至少一个加热元件所造成的所述干浴的熔融，并且任选地，将一部分的所述电解浴以其液体形式注入所述电解槽以补满所述电解槽；

将待生产的金属的一部分注入所述电解槽；以及

由阳极组件替换所述至少一个加热元件中的一个或多个直至从所述电解槽去除所述至少一个加热元件中的每一个。

23.一种启动用于生产金属的电解槽的方法，所述电解槽包括至少一个阴极组件并且被配置为接纳至少一个阳极组件和用于金属的电解生产的电解浴，所述电解浴是液体熔融浴，所述方法包括：

在环境温度下，在所述电解槽中安装至少一个加热元件以替换所述至少一个阳极组件；

通过向所述至少一个加热元件中的每一个提供电流，来加热所述电解槽；

一旦在所述电解槽中达到给定温度，则在所述电解槽中倾倒所述液体熔融浴和待生产的所述金属的一部分；以及

由阳极组件替换所述至少一个加热元件中的一个或多个，直至从所述电解槽去除所述至少一个加热元件中的每一个。

24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，对于待安装在所述电解槽中的一个阳极组件，从所述电解槽去除N_HE个加热元件，其中N_HE≥1并且N_HE取决于由N_HE个加热元件所提供的总电阻R，R选择为接近或几乎等于所述至少一个阳极组件的电阻R_AA。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中，所述加热元件中的每一个包括至少一个电阻，其中，当存在不止一个所述至少一个电阻时，所述至少一个电阻中的每一个并联电气连接。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中，通过将在所述电解槽内部所产生的热向所述至少一个阴极组件分布，进一步加热所述电解槽。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，在考虑温度上升的情况下实施所述热在所述电解槽的内部的分布，所述温度上升取决于在所述电解槽内部待加热的材料的性质。

28.根据权利要求22至27中任一项所述的方法，还包括：

从所述电解槽排出过剩的热量。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，通过使至少一个额外的电阻位于所述至少一个加热元件的顶部来实施所述过剩的热量的排出。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，通过位于所述电解槽的顶部的所述电解槽的排气系统从所述槽排出所述过剩的热量。

31.根据权利要求22至30中任一项所述的方法，还包括：

防止所述电解槽的侧壁受热。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，防止所述侧壁受热包括：

通过使用从所述侧壁延伸的保护性材料，迫使热量从所述至少一个加热元件循环至所述至少一个阴极组件。

33.根据权利要求22至32中任一项所述的方法，其中，所预热的电解槽的所述给定温度在2至5天之间的时间段后达到，并且在700至1000℃之间。

34.根据权利要求22至33中任一项所述的方法，其中，待生产的金属是铝，并且所述至少一个阳极组件包括惰性阳极或析氧阳极。

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