ES2218108T3 - Catodo de grafito para la electrolisis del aluminio. - Google Patents
Catodo de grafito para la electrolisis del aluminio.Info
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Abstract
Cátodo de grafito para la electrólisis del aluminio cuya resistencia a la erosión está mejorada, caracterizado porque es monobloque y porque su resistividad eléctrica es heterogénea a lo largo de su eje longitudinal, siendo esta resistividad más elevada en las zonas extremas del cátodo (3) que en su zona central, obteniéndose la diferencia de resistividad en las zonas extremas y en la zona central del cátodo (3) mediante un tratamiento térmico distinto en estas zonas diferentes durante la operación de grafitización, estando las zonas extremas a una temperatura inferior a la de la zona central.
Description
Cátodo de grafito para la electrólisis del
aluminio.
La presente invención tiene por objeto un cátodo
de grafito obtenido para la electrólisis del aluminio.
En el procedimiento electrolítico utilizado en la
mayoría de las instalaciones de producción de aluminio, una cuba de
electrólisis comprende, en una caja metálica forrada con
refractarios, una solera catódica compuesta por varios bloques
catódicos yuxtapuestos. Este conjunto constituye el crisol que,
estanqueizado por medio de pasta de enlucido refractario, es el
asiento de la transformación, bajo la acción de la corriente
eléctrica, del baño electrolítico en aluminio. Esta reacción tiene
lugar a una temperatura en general superior a 950ºC.
Para resistir las condiciones térmicas y químicas
que se producen durante el funcionamiento de la cuba y para
satisfacer las necesidades de conducción de la corriente de
electrólisis, el bloque catódico se fabrica a partir de materiales
carbonados. Estos materiales van desde el semigrafítico hasta el
grafito. Son conformados por extrusión o por vibrocompactación
después de malaxado de las materias primas:
- \bullet
- o una mezcla de brea, de antracita calcinada y/o de grafito en el caso de los materiales semigrafíticos y grafíticos. Estos materiales son cocidos a continuación a 1.200ºC aproximadamente. El cátodo grafítico no contiene antracita. El cátodo fabricado a partir de estos materiales se denomina comúnmente cátodo de carbono,
- \bullet
- o bien una mezcla de brea, de coque con o sin grafito en el caso de los grafitos. En este caso los materiales son cocidos a 800ºC aproximadamente, y a continuación grafitizados a más de 2.400ºC. Este cátodo se denomina cátodo de grafito.
Se conoce la utilización de los cátodos de
carbono, que presentan sin embargo una características eléctricas y
térmicas medias, que ya no son convenientes para las condiciones de
funcionamiento de las cubas modernas, en particular con fuerte
intensidad de corriente. La necesidad de reducir el consumo de
energía, y la posibilidad de aumentar la intensidad de la
corriente, en particular en las instalaciones existentes, ha
promovido la utilización de los cátodos de grafito.
El tratamiento de grafitización del cátodo de
grafito, a más de 2.400ºC, permite aumentar las conductividades
eléctrica y térmica, creando así las condiciones suficientes para
un funcionamiento optimizado de una cuba de electrólisis. El consumo
de energía disminuye en razón del descenso de la resistencia
eléctrica del cátodo. Otra forma de aprovechar este descenso de
resistencia eléctrica consiste en aumentar la intensidad de la
corriente inyectada en la cuba, permitiendo así un aumento de la
producción de aluminio. El valor elevado de la conductibilidad
térmica del cátodo permite entonces la evacuación del exceso de
calor generado por el aumento de intensidad. Además, las cubas con
cátodo de grafito parecen menos inestables eléctricamente, es decir
que presentan menos fluctuación de los potenciales eléctricos que
las cubas con cátodos de carbono.
Sin embargo, se ha constatado que las cubas
equipadas con cátodos de grafito presentan una vida útil menor que
las cubas equipadas con cátodos de carbono. Las cubas con cátodo de
grafito se vuelven inutilizables debido a un enriquecimiento
demasiado elevado en hierro del aluminio, que resulta del ataque de
la barra catódica por parte del aluminio. El metal alcanza la barra
a consecuencia de la erosión del bloque de grafito. Aunque también
se constate una erosión de los cátodos de carbono, es mucho más
débil y no altera la vida útil de las cubas que se vuelven
inutilizables debido a otras causas distintas de la erosión del
cátodo.
Por el contrario, el desgaste de los cátodos de
grafito es suficientemente rápido para convertirse en la primera
causa de mortalidad de las cubas de electrólisis del aluminio a una
edad que se puede calificar de precoz con respecto a la vida útil
registrada para las cubas equipadas con cátodos de carbono. Así, se
registran las velocidades de desgaste siguientes para los
diferentes materiales:
| Cátodo | velocidad de desgaste (mm/año) |
| Carbono, semigrafítico | 10-20 |
| Carbono, grafítico | 20-40 |
| Grafito | 40-80 |
La única figura del plano esquemático anexo
muestra un bloque catódico 3, con las barras catódicas de traída de
corriente 2, cuyo perfil inicial está designado con la referencia
4. El perfil de erosión 5, representado con líneas discontinuas,
muestra que esta erosión se acentúa en los extremos del bloque
catódico.
El documento FR 2 117 960 describe un cátodo para
la preparación de aluminio por electrólisis. Este cátodo está
realizado a partir de varios bloques de carbono semigrafítico, cada
uno con diferentes resistividades. Esta estructura compleja en razón
de la yuxtaposición de bloques con la discontinuidad eléctrica que
conlleva, se justifica no por una disminución de la erosión, puesto
que los cátodos de este tipo no son sensibles a la erosión, sino
por una disminución del abultamiento de la solera en la zona
central.
El documento FR 2 351 192 describe, en un
dispositivo de producción de aluminio, un conjunto catódico que
comprende una barra catódica y un bloque de carbono separados por
una intercara heterogénea que permite variar en la longitud del
conjunto catódico, la resistencia de contacto entre la barra
catódica y el bloque de carbono.
La velocidad de erosión de un bloque catódico de
grafito resulta ser, por consiguiente, su punto débil, y su
atractivo económico en términos de ganancia de producción puede
desaparecer si no se puede aumentar la vida útil.
El cálculo de las densidades de corriente en el
cátodo muestra que éstas son más elevadas por el lado de la salida
de las barras catódicas. Estas densidades de corriente son tanto
más elevadas cuanto más débil es la resistencia eléctrica del
cátodo. Así, el perfil de erosión de cada cátodo, y en particular
los acusados desgastes observados en los extremos de los cátodos
corresponden a las zonas de fuertes densidades de corriente en el
cátodo.
El problema que se plantea entonces, es reducir
la erosión de los cátodos de grafito, en particular en las zonas
extremas de éstos.
El objetivo de la invención es proporcionar un
cátodo de grafito cuya vida útil esté aumentada limitando la
erosión que se produce en los extremos.
Con este fin, en el cátodo según la invención, el
cátodo de grafito es monobloque y su resistividad eléctrica es
heterogénea a lo largo de su eje longitudinal, siendo esta
resistividad más elevada en las zonas extremas del cátodo que en la
zona central de éste, obteniéndose la diferencia de resistividad en
las zonas extremas y en la zona central del cátodo por medio de un
tratamiento térmico diferente en estas diferentes zonas durante la
operación de grafitización, estando las zonas extremas a una
temperatura inferior a la de la zona central.
La resistividad media del producto seguirá siendo
compatible con un funcionamiento optimizado de la cuba de
electrólisis. La resistividad más fuerte en las zonas extremas del
cátodo canaliza las líneas de corriente hacia el centro de la cuba.
Por ello, se atenúan las fuertes densidades de corriente
habitualmente registradas hacia la salida de las barras catódicas,
inhibiendo así el mecanismo de erosión en estas zonas. Por lo tanto
aumenta la vida útil de la cuba. A título indicativo, las zonas
extremas del cátodo se pueden considerar como situadas entre 0 y
800 mm aproximadamente a partir de cada extremo.
Según una posibilidad, durante la operación de
grafitización, las zonas extremas del cátodo alcanzan una
temperatura del orden de 2.200 a 2.500ºC, mientras que la zona
central alcanza una temperatura del orden de 2.700 a 3.000ºC.
De acuerdo con un primer modo de realización, la
diferencia de tratamiento térmico en las zonas extremas y en la
zona central del cátodo se obtiene limitando el calorifugado del
horno de grafitización y/o disponiendo unos drenajes térmicos en las
zonas extremas de los cátodos, para aumentar los desperdicios
térmicos.
Según otro modo de realización, la diferencia de
tratamiento térmico en las zonas extremas y en la zona central del
cátodo se obtiene creando, durante la operación de grafitización,
unas modificaciones locales de las líneas de corriente y, por
consiguiente, del efecto Joule que resulta.
Es posible asociar estos dos fenómenos durante
una misma operación de grafitización.
De acuerdo con un modo de realización del cátodo
según la invención, en el caso en el que la operación de
grafitización se realiza simultáneamente por varios cátodos
dispuestos paralelamente entre sí en el interior de un horno, por
ejemplo de tipo Acheson, en el cual se separan los cátodos entre sí
por medio de un relleno de revestimientos resistor, por ejemplo
unos granulados de carbono o de coque, la diferencia de tratamiento
térmico entre las zonas extremas y la zona central se obtiene
modulando la resistividad del revestimiento resistor entre dos
cátodos y/o disponiendo unos drenajes térmicos, en las zonas
extremas.
De todas formas, la invención se pondrá
claramente de manifiesto a partir de la descripción siguiente,
haciendo referencia al plano esquemático anexo que representa, a
título de ejemplos no limitativos, varias instalaciones para la
obtención de un cátodo según la invención:
la figura 1 es una vista de un cátodo, con
indicación más específica de la erosión de éste después de cierto
tiempo de funcionamiento;
las figuras 2 a 4 son tres vistas,
respectivamente, por encima, frontal y lateral, de un horno de
grafitización de tipo Acheson;
las figuras 5 a 7 son tres vistas,
respectivamente, por encima, frontal y lateral de un horno de
grafitización de tipo longitudinal.
Las figuras 2 a 4 muestran un horno 6 de tipo
Acheson, en el cual un cierto número de cátodos 3 están dispuestos
paralelamente entre sí, en varias hileras, con un revestimiento
resistor 7 interpuesto entre los diferentes cátodos. Este
revestimiento resistor puede estar constituido, por ejemplo por
unos granulados de carbono o de coque. El conjunto se dispone en el
interior de un revestimiento calorífugo 8. Se inyecta energía
eléctrica en el interior del horno, para realizar la operación de
grafitización, resultando el calentamiento del efecto Joule. En un
horno de este tipo, las líneas de corriente son perpendiculares al
eje de los cátodos 3. Para realizar un menor calentamiento en las
zonas extremas de los cátodos 3, la resistividad del revestimiento
resistor es más elevada en las zonas 9 que corresponden a las zonas
extremas de los cátodos 3, que la de este revestimiento resistor en
la zona 10 correspondiente a la parte central de los cátodos.
También es posible reducir el espesor del revestimiento calorífugo
8 en las zonas extremas de los cátodos, para favorecer el fenómeno
de limitación de la temperatura de grafitización en estas zonas
extremas por desperdicio térmico.
La figura 5 representa un horno longitudinal 11
en el cual se disponen varios cátodos 3 uno tras otro, con una
junta de grafitización 12 interpuesta entre dos cátodos adyacentes.
Las juntas de grafitización también son lo menos resistivas posible
para evitar un calentamiento no deseado en la unión entre los
cátodos. Además, se crean unos desperdicios térmicos materializados
por unas flechas en las zonas extremas de los cátodos, previendo un
espesor de calorifugado 8 más pequeño, y/o la presencia de drenajes
térmicos que pueden ser de grafito y posicionados
perpendicularmente a los cátodos, frente a las zonas a enfriar.
Como se desprende de lo anterior, la invención
añade una gran mejora a la técnica existente, proporcionando un
cátodo de estructura tradicional, y obtenido por unos medios
conocidos, que presenta una resistividad más elevada en sus zonas
extremas que en su zona central, permitiendo así disminuir la
densidad de corriente en el cátodo en sus extremos, y aumentar la
resistencia ante la erosión en estas zonas extremas.
Claims (5)
1. Cátodo de grafito para la electrólisis del
aluminio cuya resistencia a la erosión está mejorada,
caracterizado porque es monobloque y porque su resistividad
eléctrica es heterogénea a lo largo de su eje longitudinal, siendo
esta resistividad más elevada en las zonas extremas del cátodo (3)
que en su zona central, obteniéndose la diferencia de resistividad
en las zonas extremas y en la zona central del cátodo (3) mediante
un tratamiento térmico distinto en estas zonas diferentes durante la
operación de grafitización, estando las zonas extremas a una
temperatura inferior a la de la zona central.
2. Cátodo de grafito según la reivindicación 1,
caracterizado porque en el curso de la operación de
grafitización, las zonas extremas del cátodo (3) alcanzan una
temperatura del orden de 2.200 a 2.500ºC, mientras que la zona
central alcanza una temperatura del orden de 2.700 a 3.000ºC.
3. Procedimiento de fabricación de un cátodo de
grafito según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado porque consiste en realizar una diferencia de
tratamiento térmico en las zonas extremas y en la zona central del
cátodo (3) limitando el calorifugado (8) del horno de grafitización
(11) y/o disponiendo unos drenajes térmicos frente a las zonas
extremas de los cátodos, para aumentar los desperdicios
térmicos.
4. Procedimiento de fabricación de un cátodo de
grafito según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado porque consiste en realizar una diferencia de
tratamiento térmico en las zonas extremas y en la zona central del
cátodo (3) creando, durante la operación de grafitización, unas
modificaciones locales de las líneas de corriente y, por
consiguiente, del efecto Joule que resulta.
5. Procedimiento de fabricación de un cátodo de
grafito según la reivindicación 4, caracterizado porque, en
el caso en que la operación de grafitización se realiza
simultáneamente para varios cátodos (3) dispuestos paralelamente
entre sí en el interior de un horno (6), por ejemplo de tipo
Acheson, en el que los cátodos (3) están separados entre sí por
medio de un relleno de revestimiento resistor (7), por ejemplo unos
granulados de carbono o de coque, la diferencia de tratamiento
térmico entre las zonas extremas y la zona central del cátodo (3)
se obtiene modulando la resistividad eléctrica del revestimiento
resistor entre dos cátodos y/o disponiendo unos drenajes térmicos,
frente a las zonas extremas.
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