ES2238319T3 - Barra colectora catodica con separador para mejorar el balance termico. - Google Patents

Abstract

Una celda de reducción electrolítica (4) para la producción de aluminio, que comprende una pared de la celda (17, 18), una barra distribuidora (46, 48) externa a dicha pared de la celda (17, 18), un ánodo (12), un bloque carbonoso (20) catódico espaciado de dicho ánodo (12), y una barra colectora (30) que conecta dicha barra distribuidora (46, 48) a dicho bloque (20) catódico, comprendiendo dicha barra colectora (30): (a) un cuerpo de metal férreo que comprende 1) un separador de metal férreo macizo (32) que tiene una parte extrema externa (35) conectada a dicha barra distribuidora (46, 48) y una parte extrema interna (36) espaciada por dentro de dicha parte extrema externa (35), y 2) una envoltura de metal férreo (33) que define una cavidad (34) y (b) una inserción de cobre (40) en el interior de dicha cavidad (34), teniendo dicha inserción de cobre (40) un extremo externo adyacente a dicho separador (32), y dicho separador (32) mejora el equilibrio térmico en la celda evitando una transferencia de calor excesiva entre dicha inserción de cobre (40) y dicha barra distribuidora (46, 48).

Description

Barra colectora catódica con separador para mejorar el balance térmico.

La invención se refiere a celdas electrolíticas. En un aspecto, esta invención se refiere a barras colectoras para cátodos de celdas de fusión de reducción electrolítica usadas en la producción de aluminio.

El aluminio se produce mediante una reducción electrolíticas de alúmina en un electrolito. El aluminio producido comercialmente mediante la reducción electrolítica de alúmina se denomina aluminio primario.

La electrólisis implica la oxidación-reducción electroquímica asociada con la descomposición de un compuesto. Se hace pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos a través de un baño de criolita fundida Na_{3}AlF_{6} que contiene alúmina disuelta. El electrolito de criolita está compuesto de un baño de criolita Na_{3}AlF_{6} fundida que contiene alúmina y otros materiales, por ejemplo, tales como fluorita, disueltos en el electrolito. Un constituyente metálico del compuesto se reduce junto con una reacción de oxidación correspondiente.

Se hace pasar una corriente eléctrica entre los electrodos desde un ánodo a un cátodo para proporcionar electrones con una fuerza electromotriz necesaria para reducir el constituyente metálico el cual es usualmente el producto electrolítico deseado, tal como en la masa fundida electrolítica de aluminio. La energía eléctrica consumida para producir la reacción deseada depende de la naturaleza del compuesto y de la composición del electrolito.

Las celdas de reducción de aluminio Hall-Heroult se hacen funcionar a bajos voltajes (por ejemplo, 4-5 voltios) y altas corrientes eléctricas (por ejemplo, 70.000-325.000 amperios). La alta corriente eléctrica entra en la celda de reducción a través de la estructura del ánodo y luego pasa a través del baño de criolita, a través de un relleno de metal aluminio fundido, y luego entra en un bloque de carbono catódico. La corriente eléctrica se extrae de la celda mediante barras colectoras cátodicas.

A medida que el electrolito es atravesado por la corriente eléctrica, la alúmina se reduce electrolíticamente a aluminio en el cátodo, y el carbono es oxidado en gran parte a dióxido de carbono en el ánodo. El aluminio, producido de este modo, se acumula en el relleno de aluminio fundido y es extraído periódicamente. Las celdas de reducción de aluminio comerciales se hacen funcionar manteniendo una profundidad mínima de aluminio líquido en la celda, cuya superficie sirve como el cátodo real. La profundidad mínima del aluminio es aproximadamente 6,1 cm y puede ser 50,8 cm.

El baño de alúmina-criolita se mantiene sobre el relleno metálico de aluminio fundido a una profundidad establecida. La corriente pasa a través del baño de criolita a una caída de voltaje directamente proporcional a la longitud del camino recorrido por la corriente, es decir, de la distancia de separación interpolar entre el ánodo y el relleno de aluminio fundido. Una caída de voltaje típica es aproximadamente 0,4 voltios por cm. Cualquier aumento de la separación entre el ánodo y el cátodo limita la eficiencia máxima de la fuerza electromotriz y limita la eficiencia del funcionamiento de la celda electrolítica.

Gran parte de la caída de voltaje a través de una celda electrolítica se produce en el electrolito y es atribuible a la resistencia eléctrica del electrolito, o del baño electrolítico, a lo largo de la distancia entre el ánodo y el cátodo. La resistencia eléctrica del baño o la caída de voltaje en celdas Hall-Heroult convencionales para la reducción electrolítica de alúmina disuelta en un baño de criolita fundida incluye un potencial de descomposición, es decir, la energía empleada para producir aluminio, y un voltaje adicional atribuible a la energía en forma de calor generada en el espacio entre los electrodos por la resistencia del baño. Esta última energía en forma de calor constituye el 35 a 45 por ciento de la caída de voltaje total a lo largo de la celda, y en una medida comparativa, corresponde a dos veces la caída de voltaje atribuible al potencial de descomposición.

Una consecuencia desfavorable de reducir la distancia entre el ánodo y el cátodo es una reducción significativa en la eficiencia de la corriente de la celda cuando el metal producido por electrólisis en el cátodo se oxida por contacto con el producto del ánodo. Por ejemplo, en la electrólisis de alúmina disuelta en criolita, el metal aluminio producido en el cátodo puede ser oxidado fácilmente de nuevo a alúmina o a una sal de aluminio por una estrecha proximidad con el óxido de carbono producido anódicamente. Una disminución de la distancia de separación entre el ánodo y el cátodo proporciona mayor contacto entre el producto del ánodo y el producto catódico y acelera de forma significativa la reoxidación o "reacción inversa" del metal reducido, con lo que disminuye la eficiencia de la corriente.

La corriente eléctrica de alto amperaje que pasa a través de la celda electrolítica produce campos magnéticos fuertes que inducen circulación en el relleno de aluminio fundido lo que origina problemas tales como disminución de la eficiencia eléctrica y "reacción inversa" del aluminio fundido con el electrolito. Los campos magnéticos varían también las profundidades en una distancia diferente entre el relleno de aluminio fundido y el ánodo. El movimiento del relleno de metal aumenta, en ocasiones agitando violentamente el relleno fundido y generando vórtices, y causando cortocircuitos eléctricos localizados.

Las variaciones en la profundidad del relleno metálico limitan la reducción de la separación entre el ánodo y el cátodo y producen una pérdida en la eficiencia de la corriente. Se pierde potencia para el electrolito interpuesto entre los bloques del ánodo y el cátodo. El movimiento del relleno metálico de aluminio fundido contribuye también a que se produzca un desgaste desigual sobre los bloques de carbono catódicos y puede acelerar el fallo de la celda.

La turbulencia del relleno metálico también aumenta la "reacción inversa" o la reoxidación de los productos catódicos, con lo que disminuye la eficiencia de la celda. La turbulencia del relleno metálico acelera al distorsión y degradación del forro interior del fondo del cátodo por el roce y penetración de la criolita.

En el cátodo convencional actual, las barras colectoras de acero catódicas se prolongan desde las barras distribuidoras externas a través de cada lado de la celda electrolítica en el interior de los bloques de carbono catódicos. Las barras colectoras de acero catódicas están unidas a los los bloques catódicos con hierro colado, pegamento de carbono, o pasta carbonosa apisonada para facilitar el contacto eléctrico entre los bloques de carbono catódicos y las barras colectoras de acero catódicas.

El flujo de corriente eléctrica a través del relleno de aluminio y el cátodo de carbono sigue el camino de la menor resistencia. La resistencia eléctrica en una barra colectora catódica convencional es proporcional a la longitud del camino recorrido por la corriente desde el punto en el que la corriente eléctrica entra en la barra colectora catódica a la barra distribuidora externa más cercana. La menor resistencia del camino de la corriente que empieza en puntos sobre la barra colectora catódica más próximos a la barra distribuidora externa hace que el flujo de corriente a través del relleno de aluminio fundido y los bloques de carbono catódicos se bifurque en esa dirección. Las componentes horizontales del flujo del flujo de corriente eléctrica interaccionan con la componente vertical del campo magnético, afectando de forma adversa al funcionamiento eficiente de la celda.

La tecnología de barras colectoras catódicas para celdas Hall-Heroult existente está limitada a secciones de acero bajo en carbono colado o laminado. La alta temperatura y la naturaleza química agresiva del electrolito se combinan para crear un ambiente de operación duro. El alto punto de fusión y el bajo coste del acero compensan su conductividad eléctrica relativamente baja. En comparación, los compuestos metálicos alternativos potenciales tales como cobre y plata tiene una alta conductividad eléctrica pero puntos de fusión bajos y un elevado coste. Se usa cobre en el aparato y el procedimiento de la presente invención debido a que proporciona una combinación preferida de conductividad eléctrica, punto de fusión y coste. Se podrían usar otros materiales de alta conductividad basándose en sus combinaciones de conductividad eléctrica, punto de fusión, y coste con respecto al procedimiento de fusión de aluminio.

La conductividad eléctrica del acero es tan baja con respecto a la del relleno metálico de aluminio, que la tercera barra colectora más externa, más próxima al lado del depósito, transporta la mayor parte de la carga, con lo que se crea una distribución de corriente catódica muy poco uniforme dentro de cada bloque catódico. Debido a las propiedades químicas, las propiedades físicas y, en particular, a las propiedades eléctricas de los bloques de antracita catódicos convencionales, la baja conductividad eléctrica del acero no ha supuesto hasta ahora una limitación grave en el procedimiento.

Los cátodos convencionales contenían o bien 100% de Antracita Calcinada con Gas (GCA) o 100% de Antracita Eléctricamente Calcinada (ECA). Estos bloques catódicos tenían una baja resistencia al choque térmico. Estos bloques catódicos se dilataban mucho bajo las condiciones de electrólisis, es decir, bajo la influencia de la corriente catódica, el sodio reducido y el aluminio disuelto. Estos bloques catódicos tenían una baja conductividad eléctrica (con respecto al grafito). En su favor, estos bloques catódicos tenían bajos ritmos de erosión o desgaste (con respecto al grafito).

Para superar las deficiencias de los cátodos de 100% de antracita, los fabricantes de cátodos añadieron una proporción creciente de grafito a la mezcla de partida para los bloques catódicos. Una cantidad mínima de 30% de grafito parece ser suficiente para evitar el agrietamiento debido al choque térmico y para proporcionar propiedades eléctricas razonables y resistencia al sodio en la mayoría de los casos.

Adiciones superiores de hasta 100% de agregado de grafito o hasta 100% de agregado de coke grafitizado a 2.000-3.000ºC proporcionan condiciones de operación y productividad preferidas.

A medida que aumenta el contenido de grafito o el grado de grafitización, aumenta el ritmo al que los bloques catódicos se erosionan o se desgastan.

En la persecución de economías de escala, los depósitos de aluminio fundido han aumentado de tamaño a media que ha aumentado el amperaje de operación. A medida que se ha aumentado el amperaje de operación, ha aumentado el porcentaje de grafito en los cátodos para sacar provecho de las propiedades eléctricas mejoradas y maximizar las velocidades de producción. En la mayoría de los casos, esto ha supuesto un desplazamiento para los bloques grafitizados catódicos.

El funcionamiento del depósito se termina más típicamente cuando el metal aluminio se contamina por contacto con las barras colectores de acero. Esto puede ocurrir cuando en el cátodo se producen fugas en las uniones mixtas por fisuras, cuando los bloques catódicos se agrietan o se rompen debido a efectos térmicos o químicos o a los efectos termoquímicos combinados, o cuando la erosión producida en la parte superior de la superficie del bloque deja expuesta la barra colectora. En la aplicación de bloques catódicos grafitizados o de con contenido de grafito más alto, el modo de fallo predominante se debe a una erosión altamente localizada en la superficie del cátodo, exponiendo con el tiempo la barra colectora al metal aluminio.

En ciertos diseños de depósitos, se han observado ritmos de erosión con picos más altos para estos bloques con mayor contenido de grafito que para bloques de 30% de grafito/ECA o bloques de 100% de ECA. El rendimiento de funcionamiento se ajusta, por lo tanto, para una duración de funcionamiento.

Existe una relación entre el ritmo de desgaste rápido, la localización del área de máximo desgaste y la falta de uniformidad de la distribución de corriente del cátodo. Los cátodos con mayor contenido de grafito y grafitizados son más eléctricamente conductores y como consecuencia tienen un modelo de distribución de corriente mucho menos uniforme y por lo tanto un mayor ritmo de desgaste.

Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar y proporcionar una distribución de corriente del cátodo más uniforme con lo que se disminuirá el ritmo de desgaste del cátodo, aumentará la vida del depósito, y se pueden aprovechar los beneficios de funcionamiento proporcionados por los bloques catódicos con mayor contenido de grafito y grafitizados.

Un objetivo relacionado con la presente invención es proporcionar un aparato de celda de reducción electrolítica y un método que utiliza una nueva barra colectora para el cátodo, que incluye un separador de metal férreo macizo para mantener un equilibrio térmico controlado en el depósito.

Estos y otros objetos de la presente invención resultarán más evidentes con referencia a la siguiente descripción detallada de nuestra invención.

Según la presente invención, se proporciona un aparato y un método para producir aluminio. El aparato de la invención comprende una celda electrolítica para reducir alúmina, disuelta en un baño de sal fundida, a metal aluminio. Se hace pasar una corriente eléctrica entre un ánodo y un cátodo a través de baño fundido, produciendo metal aluminio adyacente al cátodo.

La celda electrolítica tiene paredes de celda que incluye una primera pared de celda y una segunda pared de celda, un ánodo, un bloque carbonoso catódico separado del ánodo, una barra distribuidora externa a la primera pared de la celda, y una barra colectora que conecta la barra distribuidora al bloque catódico. El bloque catódico define preferiblemente una ranura en la que está asentada la barra colectora. Las paredes de la celda definen una cámara que contiene un baño de sal fundida.

La barra colectora incluye un cuerpo de metal férreo y una inserción de cobre. Según se usa en esta memoria, el término "metal férreo" se refiere a hierro y acero, incluyendo acero suave, acero bajo en carbono, y acero inoxidable. El término "cobre" incluye aleaciones de cobre con otros metales diversos incluyendo plata. En la práctica de la presente invención se prefieren formas relativamente puras de cobre que contienen al menos 99% en peso de cobre debido a su excelente conductividad eléctrica.

La barra colectora tiene un cuerpo de metal férreo que comprende un separador de metal férreo que tiene una parte extrema externa conectada a la barra distribuidora y una parte extrema interna espaciada por dentro de la primera pared de la celda. El separador mejora el equilibrio térmico en la celda evitando una transferencia excesiva de calor entre la inserción de cobre y la barra distribuidora. El cuerpo de metal férreo incluye también una envoltura de metal férreo integral con el espaciador y que define una cavidad que contiene la inserción de cobre. La cavidad se prolonga entre un extremo externo adyacente a la parte extrema interna del espaciador, y un orificio interno. La cavidad y la inserción de cobre pueden tener una sección transversal poligonal o circular. En esta invención se prefiere una inserción de cobre cilíndrica dentro de una cavidad que tiene una sección transversal circular.

La ranura en el bloque catódico contiene preferiblemente medios para unir la barra colectora al bloque catódico, preferiblemente un material eléctricamente conductor. Este material puede ser hierro colado, pegamento carbonoso o pasta carbonosa apisonada y es preferiblemente hierro colado.

El montaje del cátodo de la presente invención es útil para producir aluminio mediante electrólisis. El montaje del cátodo está espaciado hacia abajo de un ánodo en una cámara que contiene un baño de sal fundida. Se hace pasar una corriente eléctrica desde el ánodo hasta el montaje del cátodo, que reduce la alúmina disuelta en el baño de sal fundida a aluminio depositado en un relleno situado encima del bloque catódico. La inserción de cobre en la barra colectora distribuye la corriente eléctrica de manera más uniforme que en las celdas de la técnica anterior que tienen barras colectoras que contienen sólo acero u otro metal férreo. El separador de metal férreo en el cuerpo de la barra colectora reduce las pérdidas de calor, comparado con barras colectoras que tienen una inserción de cobre conectada directamente a la barra distribuidora.

La Figura 1 es una vista esquemática de la sección transversal de una celda electrolítica de la técnica anterior para la producción de aluminio.

La figura 2 es una vista esquemática de la sección transversal de una celda electrolítica para la producción de aluminio según la presente invención.

La Figura 3 es una vista esquemática de una barra colectora en la celda electrolítica de la Figura 2.

La Figura 4 es una vista de la sección trasversal tomada a lo largo de las líneas 4-4 de la Figura 3.

La Figura 5 es una descripción esquemática de los caminos seguidos por la corriente en la celda electrolítica de la técnica anterior para la producción de aluminio.

La Figura 6 es una descripción esquemática de los caminos seguidos por la corriente en una celda electrolítica de la presente invención.

El aparato y método de la presente invención proporcionan una nueva barra colectora que minimiza las corrientes eléctricas horizontales controlando a su vez las pérdidas de calor. La nueva barra colectora de la presente invención se puede incorporar en las celdas para producción de aluminio existentes que tienen bloques catódicos de carbono estándar.

Haciendo referencia ahora a la Figura 1, en ésta se muestra una celda electrolítica de la técnica anterior para la producción de aluminio, que tiene un par de barras colectoras 10 catódicas convencionales. Las barras colectoras 10 tienen una sección transversal rectangular u están fabricadas de acero suave. La corriente eléctrica entra en la celda a través de los ánodos 12, pasa a través de un baño electrolítico 14, y de un relleno de metal fundido 16, y luego entra a un bloque de carbono 20 catódico. La corriente es transportada fuera de la celda mediante las barras colectoras 10 catódicas. Como se muestra en la Figura 5, las líneas de la corriente eléctrica 70 no están uniformemente distribuidas y se concentran más hacia los extremos de la barra colectora más próximos a una barra distribuidora externa (no mostrada).

Haciendo referencia ahora a la Figura 2, en ésta se muestra una celda electrolítica 4 de la presente invención. La celda 4 incluye una primera pared de la celda 17 y una segunda pared 18. Las paredes de la celda definen una cámara 19 forrada por el fondo y los lados con ladrillos refractarios 21 y que contiene el electrolito fundido 14. Un bloque catódico 10 tiene dos barras 30 colectoras catódicas de la mitad de anchura. Cada barra colectora 30 se prolonga desde una barra distribuidora 46, 48 situada fuera de las paredes de la celda 17,18, y por dentro hacia una línea central 50. Las barras colectoras 30 están espaciadas por una separación 58 en la mitad de la celda rellena de un material comprimible o de una pieza de carbono o de una mezcla para fisuras apisonada o de una mezcla de dichos materiales. Preferiblemente, la separación 58 está rellena de una mezcla de materiales.

El bloque 20 catódico tiene una superficie superior 22 que soporta el relleno de metal 16 y una superficie inferior 23 que define una ranura o surco que se prolonga entre extremos laterales opuestos del bloque 20. Las barras colectoras de acero 30 están alojadas en la ranura 24 y aseguradas a la misma mediante una capa de material eléctricamente conductor, preferiblemente hierro fundido, que une las barras colectoras 30 al bloque 20.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 2-4, cada una de las barras colectoras 30 incluye un cuerpo de metal férreo que comprende un separador macizo 32 y una envoltura 33 que definen una cavidad 34. Cada separador 32 tiene una parte extrema externa 35 conectada a una barra distribuidora 46 un parte externa interna 36 espaciada por dentro de la parte extrema externa 35. Preferiblemente, la parte extrema interna 36 está en el interior de la pared de la celda 17, como se muestra en la Figura 2.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 3 y 4, una cavidad o ranura 34 se obtiene perforando en el interior de un lado interno 37 de cada barra colectora 30. Las cavidades 34 se fabrican con máquinas para tener un diámetro de aproximadamente 4,1 cm de manera que sus superficies en la sección transversal sean de aproximadamente 13,42 cm^{2}, en una barra colectora que tiene una superficie de la sección trasversal de aproximadamente 154 cm^{2}. Las cavidades 34 se prolongan longitudinalmente, entre los orificios en los lados internos de la barra colectora 37 y las partes extremas internas 36 de los separadores 32. Las cavidades 34 están situadas en el centro en el interior de las barras colectoras 30, para minimizar la distorsión que acompaña al calentamiento y el enfriamiento.

Se coloca una inserción de cobre 40 que comprende una barra cilíndrica en el interior de cada cavidad 34. La inserción de cobre tiene un diámetro de aproximadamente 4,1 cm, da manera que su superficie de la sección transversal es de aproximadamente 13,35 cm^{2}. En la práctica de la presente invención se prefieren inserciones de cobre compuestas de material de cobre con elevado grado de conductividad que contiene aproximadamente 99,95 a 99,99% en peso de cobre.

Se perfora un conducto de ventilación 44 en cada barra colectora, entre la cavidad 34 y el lado superior. El conducto de ventilación 44 descarga el aire procedente de la cavidad 34 cuando la inserción de cobre 40 se coloca en su interior. Después de que la inserción 40 esté colocada, el conducto de ventilación 44 se rellena con argamasa refractaria. Si se produce suficiente presión en el interior de la cavidad 34 como para expulsar la argamasa, el conducto de ventilación 44 proporciona un camino para aliviar la presión.

Se coloca un tapón de acero 45 en la cavidad 34 para encerrar la inserción de cobre 40. Un pequeño espacio 47 entre el tapón 45 y la inserción 40 permite la expansión durante el calentamiento a la temperatura de funcionamiento. El tapón 45 está soldado al lado interno 37 de la barra colectora 20. En una realización particularmente preferida, el espacio 47 proporciona un valor de expansión de aproximadamente 1,9 cm y el tapón de acero 45 tiene una longitud de aproximadamente 5,1 cm.

El aparato y método de la presente invención redirige la corriente en una celda Hall-Heroult para reducir o eliminar ineficiencias atribuibles a corrientes eléctricas no uniformes y corrientes eléctricas horizontales.

El camino de la corriente catódica y la distribución de corrientes están influenciadas por la diferencia entre la conductividad eléctrica del relleno de metal aluminio y del montaje del cátodo. Con una diferencia de conductividades eléctricas alta a favor del relleno de aluminio, el camino preferido seguido por la corriente será lateralmente a través del relleno metálico hacia una pared lateral del depósito y luego hacia abajo a través del bloque catódico a la barra colectora.

En la Figura 5 se muestra un gradiente de corriente 70 en un depósito 2 de la técnica anterior que tiene un ánodo 12, un relleno de metal fundido 16, un bloque 20 catódico, y una barra colectora 10. La mayor concentración de corriente se encuentra directamente sobre la barra colectora de acero 10 cerca de un extremo exterior 72 del bloque 20 catódico. La distribución de corriente más baja se encuentra en la mitad del bloque 20 catódico, adyacente a una parte extrema interna de la barra colectora 10. Los modelos de desgaste localizado observados en el bloque 20 catódico son los más profundos en la superficie de la densidad de corriente eléctrica más alta.

A medida que la conductividad eléctrica del bloque 20 catódico aumenta para reflejar un cambio a bloques catódicos con mayor contenido de grafito o grafitizados, la distribución de corriente en el cátodo 70 llega a estar más concentrada en el extremo exterior 72 del boque. Cuando el amperaje es constante, el ritmo de desgaste localizado aumentará cerca del extremo externo 72 del bloque 20 a medida que aumente el contenido de grafito y alcanza un valor máximo para bloques grafitizados catódicos.

El aparato y método de la presente invención redirige la corriente en una celda Hall-Heroult para reducir las ineficiencias atribuibles a corrientes eléctricas no uniformes y horizontales. Como se muestra en la Figura 6, la celda 2 de la presente invención incluye un ánodo 12, un relleno de metal fundido 16, un bloque 20 catódico, y una barra colectora 30 que tiene una inserción de cobre 40. El gradiente de corriente 90 se prolonga desde el ánodo 12 al relleno de metal 16 y a lo largo de toda la longitud del bloque 20 catódico. El modelo de distribución de corriente 90 es más uniforme que el modelo 70 mostrado en la Figura 5. La inserción de cobre 40 aumenta la conductividad eléctrica de la barra colectora 30 reduciendo la diferencia de conductividad a favor del relleno de aluminio 16, con lo que la corriente se distribuye de manera más uniforme a través del bloque 20.

En la presente invención se ha observado que colocando una inserción de cobre en una barra colectora de acero aumenta de forma significativa su conductividad eléctrica global, que se corresponde con una menor resistencia global en la barra colectora. El resultado es una distribución de corriente más uniforme en el cátodo y ritmos de desgaste localizado reducidos.

La caída de voltaje del cátodo se reduce también por un valor de hasta 50 mV. Esta caída de voltaje se puede utilizar para reducir el coste de la potencia eléctrica a un ritmo d producción constante, o para aumentar el tonelaje del aluminio producido a una potencia constante.

Los extremos de las barras colectoras se prolongan a través de las paredes laterales del recipiente actuando como aletas o sumideros de calor. Las inserciones de cobre integradas dentro de las barras colectoras aumentan las pérdidas de calor del recipiente. Por lo tanto, se debe controlar cuidadosamente la longitud de la inserción de cobre para evitar pérdidas excesivas de calor y efectos adversos para la durabilidad del recipiente. Preferiblemente, las inserciones de cobre no han de prolongarse hacia fuera de las paredes laterales 17, 18 del recipiente. La presente invención combina la barra colectora con inserción de cobre con un material aislante adicional en el recipiente para contrarrestar la pérdida extra de calor causada por la inserción de cobre.

Claims (17)

1. Una celda de reducción electrolítica (4) para la producción de aluminio, que comprende una pared de la celda (17,18), una barra distribuidora (46,48) externa a dicha pared de la celda (17,18), un ánodo (12), un bloque carbonoso (20) catódico espaciado de dicho ánodo (12), y una barra colectora (30) que conecta dicha barra distribuidora (46,48) a dicho bloque (20) catódico, comprendiendo dicha barra colectora (30):

(a) un cuerpo de metal férreo que comprende

1)

un separador de metal férreo macizo (32) que tiene una parte extrema externa (35) conectada a dicha barra distribuidora (46,48) y una parte extrema interna (36) espaciada por dentro de dicha parte extrema externa (35), y

2)

una envoltura de metal férreo (33) que define una cavidad (34) y

(b) una inserción de cobre (40) en el interior de dicha cavidad (34), teniendo dicha inserción de cobre (40) un extremo externo adyacente a dicho separador (32), y dicho separador (32) mejora el equilibrio térmico en la celda evitando una transferencia de calor excesiva entre dicha inserción de cobre (40) y dicha barra distribuidora (46,48).

2. Una celda según la reivindicación 1, que comprende además

(c) un baño de sal fundida (14) entre dicho ánodo (12) y dicho bloque (20) catódico.

3. Una celda según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que dicho bloque (20) catódico define una ranura (24) y dicha barra colectora (30) está asentada en dicha ranura (24).

4. Una celda según la reivindicación 3, que comprende además

(d) medios en dicha ranura (24) para unir dicha barra colectora (30) a dicho bloque (20) catódico.

5. Una celda según la reivindicación 4, en la que dichos medios en dicha ranura (24) comprenden un material eléctricamente conductor.

6. Una celda según las reivindicaciones 4 ó 5, en la que dichos medios en dicha ranura (24) se seleccionan del grupo que consiste en hierro colado, pegamento carbonoso, pasta carbonosa apisonada.

7. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicha cavidad (34) tiene una sección transversal poligonal y dicha inserción de cobre (40) tiene una sección transversal poligonal.

8. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que dicha cavidad tiene una sección transversal generalmente circular y dicha inserción de cobre (40) tiene una sección transversal generalmente circular.

9. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho bloque (20) catódico comprende de 30 a 100% en peso de grafito o es un bloque catódico grafitizado.

10. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicha envoltura de metal férreo (33) está integrada con dicho separador (32).

11. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicha parte extrema interna (36) del separador (32) está espaciada por dentro de dicha pared (14) de la celda.

12. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un tapón de acero (45) que encierra la inserción de cobre (40) en dicha cavidad.

13. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un espacio que permite la expansión (47) en dicha cavidad (34) entre la inserción de cobre (40) y el tapón de acero (45).

14. Una celda según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicha barra colectora (30) define además un conducto de ventilación (44) para aliviar la presión de dicha cavidad (34).

15. Un método para producir aluminio en una celda electrolítica que tiene paredes de la celda que definen una cámara que contiene un baño de sal fundida, un ánodo en contacto con dicho baño, y una barra distribuidora fuera de las paredes de la celda, comprendiendo dicho método

a) proporcionar un montaje del cátodo que comprende:

1)

un bloque carbonoso catódico espaciado del ánodo,

2)

un cuerpo de metal férreo que comprende un separador de metal férreo macizo que tiene una parte extrema externa conectada a dicha barra distribuidora y una parte extrema interna espaciada por dentro de dicha parte extrema externa, y una envoltura de metal férreo que define una cavidad, y

3)

una inserción de cobre dentro de dicha cavidad, teniendo dicha inserción de cobre un extremo externo adyacente a dicho separador, y

b) hacer pasar una corriente eléctrica desde el ánodo hasta el montaje del cátodo, con lo que se produce aluminio en dicha celda.

16. Un método según la reivindicación 15, en el que dicha envoltura de metal férreo está integrada con dicho separador.

17.Un método según las reivindicaciones 15 ó 16, en el que dicha parte extrema interna del separador está dentro de dichas paredes de la celda.