TWI787348B - 用於電解熔融氧化物的系統和方法 - Google Patents

Abstract

本發明的冶金組件和系統包括耐火容器，耐火容器包括側面和底座。底座界定多個孔，孔位在底座內的中心。側面與底座至少部分地界定耐火容器的內容積。組件包括蓋，蓋可拆卸地耦合於耐火容器且被配置為與耐火容器形成密封。蓋界定多個穿過蓋的孔。組件也包括靠近耐火容器的底座的集電器。集電器包括導電延伸部，導電延伸部定位在底座內中心的多個孔之中。

Description

用於電解熔融氧化物的系統和方法

本發明涉及可以進行電解處理的系統和部件，以及利用這些系統的方法。更具體地，本發明涉及用於執行熔融氧化物電解或其他冶金操作的處理系統。

冶金容器和系統用於各種程序，包括金屬冶煉和精煉操作，例如可以包括熔煉和熔融氧化物電解。處理這類程序的容器和系統通常相關於特定的程序原理、金屬產品和金屬原料設計，且不適用於多種金屬或加工操作。另外，可基於所使用的材料以及系統的固定尺寸和操作特性來限制系統的操作。許多冶金操作限於特定的溫度或能量源，因此可能不適用於加工或精煉許多不同的有用金屬和材料。最後，由於將持續的操作停止下來以執行接通或進料原料、進行電極更換操作或溫度和/或生產率的波動，這些系統的操作可能是低效率的。

因此，容器和系統需要改良，進而使用有效的方式來處理一系列的金屬和材料。本發明是用來處理這些和其他需求。

根據本發明的冶金組件和系統可包括耐火容器，耐火容器包括側面與底座。底座可界定多個孔，多個孔位於底座內的中心。側面與底座可至少部分地界定耐火容器的內容積。組件包括蓋，例如耐火蓋，蓋可活動地與耐火容器耦合並且被配置為與耐火容器形成密封。蓋可界定穿過蓋的多個孔。組件也可包括集電器，集電器靠近耐火容器的底座。集電器可包括導電延伸部，導電延伸部定位在位於底座內中心的多個孔中。

在實施例中，冶金組件可包括氣密密封，氣密密封在界定穿過蓋的多個孔中的第一孔周圍。氣密密封可被配置成接收可活動陽極，並使可活動陽極移動穿過氣密密封以及界定穿過蓋的第一孔。氣密密封件可被配置成限制氣體從耐火容器中釋放再通過界定穿過蓋的多個孔的第一孔。界定穿過蓋的多個孔可包括排氣孔和進料孔，排氣孔尺寸適於從耐火容器中分配氣體，進料孔尺寸適於分配材料進入耐火容器。耐火容器可包括粉末層，粉末層至少部分界定耐火容器的側壁。耐火容器也可包括相容層，相容層界定耐火容器的底座。相容層也可至少部分地界定耐火容器的側壁。

耐火容器可包括至少兩個材料層。外部層可包括絕緣材料。內部層可包括被配置成與包含在耐火容器內容積內的電解質化學相容的材料。耐火容器可進一步包括中間材料層，中間材料層被定位以界定耐火容器的內容積的至少一部份。內部層的特性是導熱率低於或約為25W/(m．K)。絕緣層的特性是於導熱率低於或約為5W/(m．K)。

本發明還包括冶金系統。系統可包括耐火容器。系統可包括蓋，蓋可拆卸地與耐火容器連接並構造成與耐火容器形成密封。蓋可界定穿過蓋的 多個孔。系統還可包括電極支撐組件。電極支撐組件可包括可垂直平移的支架。可垂直平移的支架器可被配置成耦合於電極且將電極與電源電性耦合。

冶金系統也可包括系統底座，系統底座包括平台，耐火容器在平台上被支撐。系統也可包括集電器，集電器與耐火容器機械連接。電極支撐組件也可包括桅桿，桅桿可包括垂直軌道。電極支撐組件還可包括台車，台車可活動地與軌道耦合。電極支撐組件還可包括桁架，桁架將可垂直平移的支架與台車耦合。桁架可以是或包括彎曲桁架，彎曲桁架從台車的第一端延伸到台車的第二端，可垂直平移的支架可耦合在第二端。彎曲桁架的第二端將可垂直平移的支架定位成圍繞垂直軸線而與蓋的孔軸向對齊。該系統還可包括藉由可垂直平移的支架與電極電性耦合的第一電源。該系統還可包括與台車電性耦合的第二電源。在實施例中，電極可以是陽極。陽極的第一端可以在由耐火容器界定的內容積中穿過氣密密封而延伸。陽極的遠端部與可垂直平移的支架耦合。

本發明還可以包括另外的冶金系統。系統可包括耐火容器。系統還可包括蓋，蓋可拆卸地與耐火容器耦合並構造成與耐火容器形成密封。蓋可以界定穿過蓋的多個孔。多個孔中的第一孔可包括排氣孔。系統可包括電極支撐組件。系統還可包括與蓋的排氣孔耦合的排氣系統。排氣系統可配置成將耐火容器接收的流出物氧化。界定穿過蓋的多個孔中的第二孔可包括進料孔。冶金系統還可包括與進料孔耦合的進料系統。進料系統可配置成將材料提供到耐火容器中。

本發明可以提供優於習知技術的許多益處。例如，本發明生產的冶金系統和組件，其可以比習知系統在更大的溫度和能量範圍中進行操作。另外，與不太有效率的批次處理相反，本發明可以用於連續加工程序。結合下文和附圖能更詳細地描述這些和其他實施例以及它們的許多優點和特徵。

100:冶金組件

109:外層材料

110:耐火容器

111:中間層材料

112:側面

113:內層材料

114:底座

115:內容積

116:孔

120:蓋

125:集電器

126:導電延伸部

130:氣密件

132:第一孔

140:陽極

145:端口

210:排氣孔

220:進料孔

220a:進料孔

220b:進料孔

230:孔

240:進入端口

300:耐火容器

310:粉末層

320:相容層

330:絕緣材料

400:集電器

420:方塊

425:導電延伸部

430:匯流條

500:冶金系統

502:端口

510:電極支撐組件

515:支架

520:電極

525:系統基座

527:平台

530:桅桿

535:台車

540:軌道

545:引導件

550:桁架

555:陰極匯流排

560:陽極匯流排

600:冶金系統

610:排氣系統

612:沉降槽

614:燃燒器

616:機殼

620:進料系統

700:方法

710:操作

720:操作

730:操作

740:操作

參照說明書的其餘部分和附圖，可對於所揭示的實施例的本質和優點有進一步的理解。

圖1是根據本發明實施例的示例性冶金組件的示意剖面圖。

圖2是根據本發明實施例的示例性冶金容器蓋的示意俯視圖。

圖3是根據本發明實施例的冶金容器的示意剖面圖。

圖4是根據本發明實施例的集電器的示意圖。

圖5是根據本發明實施例的示例性冶金系統的示意圖。

圖6是根據本發明實施例的示例性冶金系統的示意圖。

圖7是根據本發明的利用冶金系統的示例性方法中的所選操作。

一些圖示已包括在示意圖中。應理解，附圖僅用於說明目的，除非有特別說明為依比例繪製，否則不應視為依比例繪製。另外，提供附圖是為了幫助理解作為示意之用途，並且可能不包括與實際表示相比較的所有方面或信息，並且可能包括用於說明目的的誇大素材。

在附圖中，類似的組件和/或特徵可以具有相同的數字參考標號。此外，可藉由跟隨在參考標號之後用於區分相似組件和/或特徵的字母來區分相同類型的各種組件。如果在說明書中僅使用第一數字參考標號，則該描述適用於具有相同的第一數字參考標號的類似組件和/或特徵中的任何一個，而與後綴字母無關。

在冶金加工中，例如來自熱源或電源的高熱可用於加工各種材料，包括金屬和含金屬材料。這些材料的熔點可能遠高於1000℃，因此可能導致與容器及熔融材料接觸到的任何相關部件的溫度會變得非常高。

許多系統操作是使用冷凍的電解質外殼，其可以使電池壁免受最高溫的影響，以及不受來自電解組件對內壁的化學腐蝕的影響。容器或整個系統的設置可能會對習知電池造成限制。例如，許多設計需要完全停止才能提取固化產品。另外，諸如陽極之類的電極的其中之一的消耗可能會導致操作停止，以及系統內目標物質的完全還原，這可能需要額外的批次執行。習知系統處理這些問題的方式，可能通常是接受系統本身的限制或低效能。另一方面，本發明利用的系統配置和操作原理允許連續操作電池以產生各種目標材料。

接著參考圖1，圖1是根據本發明實施例的示例性冶金組件100。該組件及其組成部件可用任何方式產生熱量以熔化容納在其中的材料。可藉由高溫應用產生該熱量到容器，也可以藉由電能生成或產生。冶金組件100可包括耐火容器110，耐火容器110包括側面112和底座114。側面112和底座114可以至少部分地界定耐火容器110內的內容積115。耐火容器110可配置成容設一個以上用於加工的材料，例如具有金屬氧化物的含金屬材料。容器可用於任何的處理配置，包括熔融氧化物電解，並且除了處理中的含金屬材料之外還可以包括電解質材料。

耐火容器110可在底座114的中心區域上界定至少一個或多個孔116。如下所述，該孔可對與集電器相關的導電構件提供通路。冶金組件100也可包括蓋120，蓋120與耐火容器110結合使用。蓋120可拆卸地連接於耐火容器110，或蓋120可直接連接、螺栓連接、緊固或黏接於耐火容器110。在實施例中，利用螺栓、緊固件或配置成連接兩個結構的其他材料，蓋120可拆卸地連接於耐火容器110。蓋120與耐火容器110每個都可具有凸緣，該凸緣提供用來連接兩個部件的接觸表面。在操作中，蓋120可連接於耐火容器110以形成密封，該密可以是液體密封或氣密密封。另外，在一些實施例中，蓋120可連接於耐火容器110連接，以便於容納和/或收集或移除包括氣體副產物的生產流出物質。在一些實施例中， 蓋120可配置為與耐火容器110之間形成部分、大致或完全氣密密封。蓋120可界定穿透蓋120的結構的多個孔，如下文參照圖2之詳述。

冶金組件100也可包括集電器125，集電器125位於耐火容器110的底座114附近。集電器125可以是導電棒或是與耐火容器110耦合的材料或是在耐火容器110之中的材料。在一些實施例中，集電器125可包括導電延伸部126位於多個孔116內，中心位於耐火容器110的底座114內。

冶金組件100可包括氣密件130，氣密件130耦合圍繞藉由蓋120界定的第一孔132。氣密件130可配置成接收可活動陽極140並使可活動陽極140穿過氣密件130以及蓋120界定的第一孔132。取決於在耐火容器110內進行的程序，該陽極可用一種以上的方式移動。舉例來說，在實施例中，陽極140可由碳或一些其他導電材料形成。該方法本身可以在氧化反應中至少部分地消耗碳，例如該方法可以產生一氧化碳、二氧化碳或一些其他含碳材料。在碳被消耗的過程中，可以重新定位陽極，例如陽極進一步降低進入耐火容器110中，以保持陽極與電解質材料接觸，維持陽極和系統陰極之間的特定距離，或提供額外的消耗材料。另外，在接通操作期間，可以降低耐火容器110內的材料水平，並且在接通期間也可以降低陽極以維持反應。可包括其他類似的方案，其中陽極140在操作期間被平移。儘管圖示為單個陽極，但是多種實施例中可包括多個陽極和陽極保持系統，這取決於容器的尺寸和形狀以及陰極材料或集電器的分佈。

氣密件130可允許陽極140的垂直平移，同時保持或基本上保持氣密密封。例如，穿過蓋120的第一孔132的尺寸可適應多種尺寸的陽極140，或者第一孔132具有允許陽極140在操作期間移動的公差。在第一孔132內的陽極140周圍可能存在的間隙可為操作期間形成的氣體提供出口路徑。產生的氣體可包括若未經處理釋放而可能有害的成分，或者可能代表來自系統的熱量損失，而使進行中程序的效率降低。因此，氣密件130可形成或配置成限制氣體從耐火容器 110通過蓋120所界定的第一孔132釋放。氣密件130可包括用螺栓連接或結合在一起的多個板，並且氣密件130可包括一個以上的墊圈以形成圍繞陽極140的蒸氣屏障。

在本發明實施例中，耐火容器110可包括多層和多種材料。雖然圖1示出三層的耐火容器，但應當理解，根據本發明的耐火容器可以包括實施例中的各種構造的一、二、三、四、五層或更多層。如圖所示，耐火容器110包括多層，且在實施例中耐火容器110可包括至少兩層材料。耐火容器110可包括外層材料109，外層材料109可以是絕緣材料並配置成減少來自耐火容器的熱損失。耐火容器110還可包括內層材料113，其可接觸耐火容器110內的一種以上的材料，包括電解質組件。內層材料113可包括被配置成與耐火容器110的內容積115中的電解質化學相容的材料。該材料可以是專門使用於耐火容器110內所進行的化學程序的材料。例如，內層材料113可以是一種以上對於電解質具有化學惰性的材料，或者該材料可由能夠承受耐火容器110的內容積115中的溫度、壓力和/或化學條件的材料而組成。

在一些實施例中，耐火材料110也可包括中間層材料111。中間層材料111可在結構、溫度、反應性或其他特性方面為耐火容器提供穩定性。其中可包括各種形式的各材料層。例如，每材料層可以形成側面112中的一個或兩個以及底座114的一部分。如圖1所示，內層材料113可以形成耐火容器110的內側壁，而中間層材料111以及外層109可以形成內部底座，並且內層材料113可以界定穿過耐火容器110的底座114的孔。冷卻護套(未示出)可定位在耐火容器110周圍，並且可以使一種以上的冷卻流體圍繞耐火容器流動。冷卻護套可額外包括反射表面以減少來自耐火容器110的輻射熱。也可能具有其他構造，其中材料形成耐火容器110的一個以上的區域。

耐火容器110可以由典型熔爐生產的多種材料設計，包括火粘土和各種非金屬材料，非金屬材料包括各種元素的氧化物。舉例來說，容器可以由金屬或陶瓷構成，並且可以包括矽、鈣、鎂、鋁和硼的氧化物、碳化物和/或氮化物。耐火容器材料還可包括鐵、鋼、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鈦、釩、鉻、鋯、鉿、釕、銠、鋨或銥中的一種以上，以及氧化物、氮化物，以及包括這些材料中的一種以上的其他組合。使用附加材料的情況是材料能夠承受溫度高於約500℃、高於約1,000℃、高於約1,500℃、高於約2,000℃、高於約2,500℃的溫度、高於約3,000℃、高於約3,500℃，高於約4,000℃或更高。與許多習知容器不同，例如許多Hall Heroult容器可能限制在溫度低於或約1000℃，本容器能夠在更高的溫度下操作，便於利用電化學處理熔點高於1,500℃的許多其他金屬。此外，該材料可能不會與容器內的材料發生反應。耐火容器110還可包括端口145，端口145被配置成從耐火容器110輸送精煉或加工的材料。本領域技術人員將容易理解，端口可位於任何位置，並且不應該受限於所示的示例性設計。

以特定熱特性為特徵的材料可形成該耐火容器或被包括在耐火容器材料中。例如，內層材料113的特徵在於比外層材料109具有更高的導熱率，外層材料109可以是絕緣層。任何耐火容器材料的特徵可在於導熱率低於或約為30W/(m．K)，並且其特徵可在於導熱率低於或約為25W/(m．K)、低於或約為20W/(m．K)、低於或約15W/(m．K)、低於或約10W/(m．K)、低於或約5W/(m．K)、低於或約3W/(m．K)、低於或約2W/(m．K)、低於或約1W/(m．K)、低於或約0.5W/(m．K)或更低。每層的導熱率也可以是在任何這些所述範圍內的任何較小範圍，例如在約0.5W/(m．K)和約2W/(m．K)之間或在該範圍內中指出的較小範圍。

接著參照圖2。圖2是根據本發明的實施例的示例性冶金容器的蓋120的示意俯視圖。如前所述，蓋120可以界定穿過該蓋結構的多個孔。多個孔中 具有中心孔，中心孔可以是第一孔132，用於容納前述的陽極。蓋120可以形成圍繞第一孔132的平台或凸緣，以容納和提供用於氣體密封的穩定或平坦表面，限制或防止流體從藉由第一孔132定位的陽極或電極的周圍流出。

蓋120還可以界定排氣孔210，排氣孔210的尺寸適於分配來自耐火容器的氣體。排氣孔210也可包括平台或凸緣，在排氣孔210周圍形成流體密封的管道或其他設備與平台或凸緣耦合。排氣孔可以控制冶金系統內的壓力，並且還可以將產生的蒸氣回收以用作多種目的。例如，可以清潔、刷洗或進一步處理回收的蒸氣來減少有害或不需要的性質。另外，回收的蒸氣可在其他操作中當作熱源使用，並且可將回收蒸氣作為其他用途。例如，金屬氧化物的某些程序操作可在陽極處產生氧氣，可從系統收集該氧氣並用於需要氧氣的各種目的。蓋120還可以界定一個以上的進料孔220，其尺寸適於將材料分配到耐火容器中。如圖所示，蓋120可相對於排氣孔210而界定進料孔220。例如，取決於與排氣回收或處理相關聯的系統以及材料進給，進料孔220a可以形成於排氣孔210的遠側，如圖所示。蓋120還可以界定穿過蓋的多個進料孔，其可用於供給類似材料的多個位置，或者可供用於將不同材料進料到耐火容器中的入口。例如，如圖所示，蓋120包括兩個進料孔220，但可以包括更多或更少數量的進料孔。進料孔220a用於提供目標金屬的氧化物，例如當進料孔220b用於將另外的電解質材料、合金材料或其他添加劑或組分提供到耐火容器中。另外，進料孔220a可以設計成便於輸送細微粒材料，例如通過篩子或漏斗形開口。許多習知系統涉及湍流操作，其可能導致輸送材料的燒結或附聚。本發明可以提供更穩定的操作，允許將細微粒材料輸送到系統。

與電弧爐不同，本發明描述的系統的優點在於它們有利於連續材料加工。本系統可持續消耗電力以產生熱量並產生最終材料。許多習知的高溫反應器僅能在批次程序中操作。雖然一些Hall Heroult系統可以連續耗電進行操作， 但這些系統在很低的溫度下運行，減少了熱量的產生和輻射。根據這些優點，包括接收目標金屬氧化物的受控流的一個進料孔有利於連續加工。進料孔220還可以包括用於耦接管道或與材料輸送相關的其他部件的平台或凸緣，其可在進料孔周圍形成密封。因為相關的供給設備可直接或間接地與蓋120耦接，所以移除設備以添加其他部件將是困難或低效能的。因此，可藉由蓋120界定多個進料孔220以用於多組分系統或配合電解質材料。

蓋120還可以界定孔230，孔230可包括注入孔以及感應孔。一些操作可能有利於在操作期間注入氣體。氣體進料孔可將各種構件結合至耐火容器中。包含在孔230之中的氣體供給孔可包括連接至氣體管線的噴嘴或端口，或者包括插入氣體管道的入口。孔230還可包括用於感測設備的孔，感測設備包括溫度、壓力、電和其他感測操作。所使用的感測器和設備可配置成在高達、高於約1,000℃、高於或約2,000℃、高於或約3,000℃或更高的溫度下操作。然而，從本發明的獨特操作觀點來說可使用許多標準感測器。所描述的系統可在容器內產生局部熱效應，容器可使容器周圍的各種位置的溫度低於容器中心部分幾百度。由於在可能超過2,000℃的溫度下的熱輻射傳遞，這使得習知系統中傳統上無法包含的感測器與其他設備的結合變為可行。孔230，類似於在蓋120中界定的其他孔，可提供密封以限制或防止來自耐火容器的氣體損失或濺射。

蓋120還可以包括進入端口240，進入端口240以各個方向、位置或以各種角度從蓋120延伸出來。進入端口可包括螺紋區域或其他墊圈或凸緣連接件，在操作期間可用帽或其他密閉件來密封進入端口以限制或防止氣體釋放。進入端口提供進入耐火容器的區域的各種通路，便於目視檢查、測試或其他操作。如圖所示，進入端口240可圍繞蓋120分佈，讓進入端口240在操作期間可提供進 入耐火容器的不同區域的通路。蓋120可包括穿過蓋的任何數量的各種孔徑類型，而目前所示的配置僅僅是本發明所包含的單一可能配置。應理解，本發明也涵蓋類似的其他配置、孔徑數和孔徑組合。

圖3示出了根據本發明實施例的耐火容器300的另一示意剖視圖。耐火容器300可包括另一材料配置，其可包括粉末層310。粉末層310可以是或包括任何前述材料，且粉末層310的結構可在操作溫度下硬化，其溫度可以升高到1000℃以上。粉末層310可至少部分地界定耐火容器300的側壁。耐火容器300還可包括相容層320。相容層320可以界定耐火容器300的內部底座，並且可以界定出孔。可通過該孔來分配集電器的導電構件。如圖所示，相容層320也可以與粉末層310一起至少部分地界定耐火容器的側壁。相容層320可配置成與耐火容器內包含的材料化學相容、熱相容或其他相容。耐火容器300還可包括絕緣材料330，絕緣材料330包含在耐火容器300的周圍的外部區域中。

耐火容器300的特性可部分地根據形成容器所使用的材料。例如，氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯或其他可能有助於耐火容器特性的材料。例如，低於約500℃的溫度時，耐火材料的電阻率大於或約為1.0E24Ω．m，高於1,000℃的溫度時，耐火材料的電阻率小於或約為1.0E9Ω．m，且在此範圍內可包括任何值。另外，高於500℃的溫度時，離子電導率的百分比可根據材料而變化。當使用具有較低離子遷移的材料時，離子電導率可以低至百分之零，而摻入具有較高離子遷移的材料時，電導率可以高達100%，且可包括該範圍內的任何值。

耐火容器的特性在於熱膨脹係數，同時也根據容器所使用的材料。例如，耐火材料的熱膨脹係數可在約2μm/m．℃至約18μm/m．℃或更高之間，且可包括該範圍內的任何值。該值可根據操作溫度進行調節，且隨著材料與操作 溫度的改變，該值的特性是基於溫度變化而從約-1到約+1。耐火容器的特性也在於孔隙率，其部分地取決於材料和容器的形成。在實施例中，耐火材料的特性在於孔隙率小於或約為10%一直到大於或約80%，並且可包括該範圍內的任何特定孔隙率。孔隙率可以增加耐火材料的絕緣能力，並且在一些實施例中，孔隙率可大於或約為50%。

接著參照圖4，是根據本發明實施例的集電器400的示意圖。如圖所示，集電器400可包括方塊420，方塊420可包括一個以上的匯流條430，與冶金組件電性連通。集電器400還可包括從方塊420突出的多個導電延伸部425。導電延伸部425的圖案包括在圖示中，但是對於特定的冶金容器可預先確定數量和圖案。

導電延伸部425的數量和位置可影響通過容器的熱流和熱功率，因此藉由調節導電元件的數量和位置，可用多種方式調節系統使系統在容器中發展穩定或平衡。因此，對於本發明的示例冶金組件和容器，可根據被配置為在操作期間在整個耐火容器中提供熱和流體平衡的圖案而沿著集電器的方塊420來定位導電元件。根據容器的尺寸和形狀，該圖案可採取各種幾何形狀，並且導電延伸部的數量和間隔也可以類似的方式來修改。

在一些實施例中，集電器和/或陽極可不與容器電性連接。部件也可以與蓋電性隔離。容器可以無接地，這可限制或防止電化學電池的電接地。如此，從內部內容物到容器或蓋的雜散電流短路的操作事件期間，不一定是對地短路。

藉由影響通過電池的熱量和功率流，導電延伸部也可用來控制位於冶金組件內的含金屬材料的形狀和位置。例如，工業電解槽可利用或形成被精 煉的金屬墊，藉由耐火容器產生分層的材料層，沿著耐火容器的底座帶有更緻密的精製金屬。然而，該墊相對來說厚度較厚，可在耐火容器內保持平坦的輪廓。導電延伸部的配置可影響通過系統的電流，該系統可以配置成使熔化墊平放在耐火容器內。

在本發明的許多構造中，在操作中，沿著耐火容器的底座形成的熔融金屬可作為陰極。基於導電性質可具有導電延伸部425，並且在實施例中可包括金屬。例如，在實施例中，導電延伸部425可以是或包括銀、銅、金、鋁、鋅、鎳、黃銅、青銅、鐵、鉑、含碳材料、鉛或鋼。在一個實施例中，導電延伸部425可以包括銅，其熔點低於1,100℃。然而，如果被精煉的金屬是例如鐵，則液態鐵在超過1,500℃的溫度下亦可存在。因此，熔融金屬可將導電延伸部425熔化以產生導電元件和被精煉金屬的熔融混合物。

導電延伸部可以是金屬，其熔點低於在容器內被精煉的材料的熔化溫度。在這種情況下，導電延伸部425的與容器內的材料接觸的部分也可以熔化。由於該相對穩定的溫度已超過容器內材料的熔點，可藉由耐火材料底座114和導電延伸部425而傳遞一定程度的熱量。這可能導致至少一部分的導電延伸部425熔化。該液體材料也可以包括被精煉的材料混合物，可以填充於導電延伸部和孔之間的任何間隙空間，當金屬從熱中心進一步移動，該液體材料在先前描述的引腳孔或孔116內重新固化。在操作中，這可以防止熔融材料從孔流出至集電器，如果不進行調節則可能導致系統故障。因此，在結構內材料可以自我修復。在實施例中，還可以對導電元件進行額外的冷卻，例如藉由流體轉化成空氣、水或一些可以從導電元件傳遞熱量的其他流體。

每個孔的特徵在於容積，在熔化狀態下該孔的容積被設計成每個導電元件的至少一部分可容納在每個孔內。這包括導電延伸部和被精煉材料的熔化混合物。在實施例中，導電延伸部的長度保持在等於或低於耐火材料底座114厚度的水平。如此，耐火容器內的材料保持在基本上更純的狀態，並且當該材料被移除或流出時，也不太可能從導電元件中拉出材料。

圖5示出了根據本發明的實施例的示例冶金系統500的示意圖。冶金系統500可包括如前所述的冶金組件100的一些或全部部件。例如，冶金系統500可包括耐火容器110。耐火容器110可包括端口502，以提供用於分接耐火容器110的入口。在實施例中，端口502可包括用於連接通道的邊緣或連接器，而從耐火容器110輸送精製材料。冶金系統500還可包括蓋120，如前所述蓋120可構造成與耐火容器110形成大致氣密密封。如上文關於圖2所討論的，蓋120還可以界定多個孔。

冶金系統500還可包括電極支撐組件510。電極支撐組件可包括多個部件以控制電極與系統的使用和移動，在實施例中系統可以是陽極。電極支撐組件510可包括可垂直平移的支架515。支架515可配置成與電極520耦合，電極520可類似於先前描述的陽極140。支架515還可以將電極520與電源電性耦合以操作冶金系統。冶金系統500的某些配置或操作用途可能消耗或損壞電極520，則電極520可能需要進行更換。因此，支架515的尺寸可被設定為同時容納至少一部分的第一電極和一部分的第二電極，可連續使用電極，而不需要將系統停機來進行元件轉移。在操作中，可以作為陽極的電極520可如前所述地藉由與蓋120連接的氣密件130在耐火容器110的內容積中延伸。電極520的遠端部接著可耦合於可 垂直平移的支架515，在冶金系統500的操作期間，支架515可耦合於平移陽極的機器。

在一些實施例中，電極支撐組件510和耐火容器110可以是獨立的部件，這取決於系統的尺寸或所要求的容積大小。另外，如圖所示，電極支撐組件510和耐火容器110中的一個或兩者皆可結合於系統基座525，系統基座525被配置為支撐組件和將組件相對於彼此間隔以進行程序。如前所述，集電器125可以位於耐火容器110下方，因此系統基座525可配置為容納集電器125。如圖所示，系統基座525可包括平台527，耐火容器110可被支撐在平台527上。平台527可具有框架形狀，提供通路給集電器125的導電延伸部，使該導電延伸部延伸至耐火容器110中並與耐火容器110電性連接。集電器125可以位於平台527和系統基座525之間。在實施例中，集電器可以與系統基座525或平台527耦合，而在其他實施例中，集電器可不與任一結構耦合，而是藉由耐火容器110進行耦合和維護。平台527還可以保護集電器125的匯流條連接，其中匯流條可進行電性連接。

電極支撐組件510可包括多個部件，使電極520可進行微調位移。因為電極520可位於耐火容器110上方的中心，所以電極支撐組件510可由耐火容器110橫向定位並且可至少部分地延伸穿過耐火容器110與電極520耦合。電極支撐組件510可包括至少一個固定結構和至少一個可平移結構，固定結構和可平移結構結合操作以控制電極520的移動。例如，電極支撐組件510可包括桅桿530，在實施例中桅桿530可以是固定的。例如，桅桿530可與系統基座525或一些其他結構固定地連接，該些其他結構之上提供冶金系統500。桅桿530可包括軌道或其他特徵，台車535可在軌道或其他特徵上延伸。台車535可移動地連接於桅桿530的任何部件，例如示出的軌道540。

台車535或桅桿530可包括機動控制器，機動控制器用來在桅桿530上垂直移動台車535。例如，台車535可包括電動控制裝置，電動控制裝置使台車能夠沿著軌道540在任意數量的位置移動和停止。軌道540也可操控以引導台車535，而諸如引導件545的附加結構可使台車535垂直移動。引導件和/或台車可包括鏈條或螺釘引導件，允許台車535沿著桅桿530進行微幅位移。另外，桅桿530包括機動控制器，機動控制器可轉動或以其他方式啟動引導件545，引導件545可沿軌道540調節台車535的高度。應當理解，這些實施例僅僅是示例，並且本發明包括用於提供台車535的垂直平移的任何數量的其他類似系統。

電極支撐組件510還可包括與台車535連接的桁架550。桁架550可包括與台車535連接的至少一個或兩個以上的臂。如圖所示，桁架550包括兩個臂，兩個臂與台車535的相對側在桅桿530周圍連接。桁架550可將可垂直平移的支架515與台車535連接。根據耐火容器110的尺寸和陽極520的位置，桁架550可以以一種以上的方式從桅桿530橫向延伸至與蓋120的中心部分相對的位置。例如，如圖所示，桁架550可以是或包括彎曲設計或彎曲部件，該彎曲部件從桁架550的第一端延伸至第二端，第一端與台車535連接，第二端與可垂直平移的支架515連接。桁架550的第二端可彎曲到將可垂直平移的支架515定位成與孔(例如蓋120的中心孔)對齊的位置。在其他示例中，桁架550可包括多個部件，例如L形或其他多件式構件，其中包括垂直部件以及側向部件。例如，桁架550可將支架定位成圍繞著垂直軸線而軸向對齊於蓋120的孔，例如前述的中心孔132。

儘管桁架550在本揭示中通稱為桁架，但應理解，術語桁架旨在覆蓋或界定為任何支撐構件，例如支撐件、托樑、支撐件、梁、臂、支柱或任何支撐，或是在實施例中可耦合於桅桿和陽極的結構件或構件。儘管示出了特定的桁 架，但是應該理解，具有相同效果的不同的機械支撐件也類似地包含在本發明中。

冶金系統500也可包括電氣系統。陰極匯流排555可以定位在系統基座525上，陰極匯流排555可提供與電源(未示出)的電耦合位置。類似地，陽極匯流排560可以定位在桅桿530上，其可以提供與電源(未示出)的電耦合位置。兩個匯流排連接器可將冶金系統500耦合於作為電池的電源，進而使任一電極作為系統的陽極或陰極進行操作，這取決於特定的連接方案。單獨的電源可進行操作或提供動力給台車535。因此，在實施例中，電極支撐組件510可以與兩個電源耦合，其中第一電源藉由可垂直平移的支架或桁架與電極520電性耦合，而第二電源電性耦合於台車。

圖6是根據本發明實施例的示例性冶金系統600的示意圖。冶金系統600可包括前述冶金組件100中的一些或全部的構件，冶金系統600可包括前述冶金系統500中的一些或全部的構件。例如，冶金系統600可包括耐火容器100。冶金系統600還可以包括蓋120，蓋120可構造成與如前述的耐火容器110而形成大致氣密的密封。如同與圖2相關的前述討論，蓋120也可界定多個孔。例如，蓋120可包括至少一個排氣孔210，並且可包括至少一個進料孔220。冶金系統600還可包括如前述的電極支撐組件510。

冶金系統600還可以包括相關系統，該系統用於從耐火容器輸送和移除材料。例如，冶金系統600可包括排氣系統610，排氣系統610配置成從耐火容器110接收或移除材料。排氣系統610可包括管道，管道在排氣孔210與蓋120耦合。如前所述，蓋120可以提供與耐火容器110的氣密密封，以容納產生的蒸氣，例如在陽極處產生的含氧材料。可通過與排氣孔210連接的管道從耐火容器110 中除去這些氣體物質。在實施例中，管道可包括一個以上的閥門可控制從耐火容器移除氣體物質的操作。例如，儘管在一些實施例中，流出蒸氣可通過與排氣孔210連接的管道自由地從耐火容器110流出，但是在一些實施例中，可控制通過排氣孔210的路徑存在時機具有設定好的間隔，例如當耐火容器中產生一定量的氣體時。例如，感測器可檢測耐火容器110內的壓力累積，其可以自動地或以其他方式吸引從容器釋放出的氣體進入排氣系統610中。

排氣系統610可包括任何數量的過濾器、洗滌器或處理裝置，以便於從冶金系統600收集和/或處理氣體物質。例如，一些操作副產物可以包括氧氣，氧氣可在離開耐火容器110時被過濾然後被收集。排氣系統610可包括沉降槽612，沉降槽612配置成可進行排出物質的微粒去除。由於可能在操作期間形成電解質冷凍外殼，因此可提供穿過外殼的額外通路以接近包含在外殼中的氣體物質。該微粒去除程序可帶走來自外殼的微粒材料或是來自內部材料的微粒材料，當通過排氣系統610輸送氣體物質時，內部材料可以沉積在沉降槽612中。在其他實施例案中，流出氣體物質包括因為環境原因或為了收集更有價值的產物而進行處理的氣體。因為氣體物質是在數百或數千度的溫度下離開耐火容器，所以能利用熱量來引發處理程序。例如，空氣引入系統中可包括催化轉化器，該空氣引入系統可轉化離開的流出物質，例如從一氧化碳轉化為二氧化碳。排氣系統610還可包括收集一氧化碳的裝置。另外，燃燒器614可以包括空氣或氧氣源，使流出物氧化成替代物質。排氣系統610還可包括機殼616，機殼616包括用於排氣收集和/或處理的控制和流體輸送系統。

冶金系統600還可包括進料系統620，進料系統620與一個以上的進料孔220可操作地連接。同樣，進料系統620可與蓋120連接，以保持與系統之 間的氣密密封。進料系統可將起始材料輸送到耐火容器110以產生目標材料。例如，目標金屬的氧化物可由進料系統620輸送到耐火容器110中。進料系統可連續地輸送材料，或者可根據目標材料的生產和去除來構造輸送，例如材料的周期性運輸或批量輸送，因此能夠連續操作耐火容器110和冶金系統600。進料系統620還可包括輸送材料到耐火容器之前先刺穿電解質外殼的工具。在實施例中，蓋中可以包括多個進料孔，並且可使用另外的進料系統來輸送多種材料，或者輸送到容器的不同區域。

先前描述的系統和裝置可以用於多種加工材料的方法中。圖7是根據本發明的利用冶金系統的示例性方法700中的選定操作。該方法可以利用先前在各種操作中描述的任何或所有裝置或系統，從精煉金屬到加工和生產來自各種原料的合金和其他產品。

在操作710，可以將初始量的材料沉積到耐火容器110中。材料可包括至少一些金屬或含金屬材料，例如礦石、電解質、爐渣、焦炭或其他耐火材料或熔爐材料。取決於熔爐類型或操作方法，電極140可以是與多個導電元件連通的陽極或陰極，並且可以是操作中的任一極性。例如，在熔融氧化物電解中，電極140可以是陽極，並且可通過陽極輸送電流到容納在容器內的材料中並且通過導電延伸部425輸送電流到集電器125。在操作720，輸送電流可以在耐火容器內產生焦耳加熱，而開始加工材料。可以通過系統輸送數百、數千或數十萬安培的高電流以產生熱量。例如，在實施例中，電流可以在約1,000和約5,000安培之間，或者可以在約5,000和約10,000安培之間。電流可以是這些範圍內的任何特定數量，例如4,000安培，或者可以高於或低於所述的任意數字。製造的熱量可能會產生足以熔化容器內材料的容器溫度。

當材料熔化時，可產生還原-氧化程序使材料分離。例如，如果待精煉的材料中包含金屬氧化物，例如氧化鐵、氧化鋁等，則含氧離子可以流向陽極140並被氧化，而金屬離子則流向集電器125並被還原。在內容積115中的耐火底座114處形成的金屬可以是熔融帶負電的金屬，進而在程序中作為陰極，同時從集電器125的導電延伸部接收電子。在操作730，該帶負電的熔融金屬可以藉由該方法精煉並通過一個以上的端口502從容器中提取或回收。氧離子可以在陽極140處形成氧氣，並且可以產生氧氣、二氧化碳、一氧化碳或其他氣體物質的氣泡並從容器中釋放。在操作730，從系統將產生的熔融金屬回收，同時可減少耐火容器110內的材料體積。如果系統的組件並未經過調節，則陽極140不會接觸到電解質材料。因此，在操作期間或在提取期間，可以在操作740中垂直調節陽極140，使陽極140與耐火容器110內的材料保持接觸。類似地，當附加材料被輸送到耐火容器110中時，容器內的材料水平上升，並且將陽極140升高。

可以根據想要生產的材料來選擇在加工操作中所使用的電解質材料。在實施例中，用於金屬氧化物電解生產相對更活潑的金屬的電解質家族可包括金屬氧化物，以及氧化物物質的混合物。示例性金屬氧化物可包括氧化鈹、氧化鈣、氧化鎂、氧化鍶和氧化鋇。此外，可一起包含鋁、矽、鈧、釔、鑭、鈰、镨、釹、鉕、釤、銪、钆、铽、鏑、钬、鉺、铥或鐿的氧化物以及任何其他氧化物種類。放射性金屬以及有利於根據本發明加工程序的任何其他材料可與本系統一起使用。可選擇電解質混合物中包含的氧化物的比例，以匹配界熔融氧化物電解而提取目標金屬所必需的物理和化學性質。當目標金屬還原成主體合金時，該物理性質可包括電解質的密度低於目標金屬或目標合金。在一些實施例中，密度差至少約0.2g/cm³，但是在一些實施例中，密度差可更多或更少，儘管密度差 值越大越有利於分離。另外，電解質材料的特徵可在於增加目標材料的密度，例如，可能在合金加工中發生。

根據本發明的系統操作可發生於一系列數值，其可部分地根據正在處理的材料而定。例如，陽極和陰極電流密度可包括一系列值的平均值。陰極電流密度可以小於或約0.3A/cm²至約10A/cm²或更高。陽極電流密度可以部分地根據所使用的陽極材料。例如，與石墨或其他陽極材料相比，惰性陽極可在減小的電流密度範圍內操作。根據本發明，惰性陽極材料可以在小於或約2A/cm²至約10A/cm²或更高的電流密度下操作。另外，石墨陽極材料可以在小於或約0.5A/cm²至約40A/cm²或更高的電流密度下操作。陽極和陰極材料之間的電壓差可類似地根據陽極使用的材料而變化，惰性材料形成更窄的操作窗口。例如，在使用惰性陽極材料的組合中，陽極和陰極之間的電壓差可以在約1V至約110V或更高的範圍內。另外，在利用石墨或其他陽極材料的組合中，陽極和陰極之間的電壓差可以在約1V至約130V或更高的範圍內。

前述中，為了解釋的用途，已闡述了許多細節，便於理解本發明的各種實施例的理。然而，對於本領域技術人員顯而易見的是，某些實施例可以在缺少這些細節其中一些或者具有額外附加細節的情況下實施。

已經揭示了若干實施例，本領域技術人員將認識到，在不脫離實施例的精神的情況下，可以使用各種修改、替代構造和等同物。另外，並未描述許多眾所周知的過程和元件，以避免不必要地模糊本發明之重點。因此，以上描述不應被視為對本發明範圍做出限制。

在提供一系列值的情況下，應當理解，除非上下文另有明確規定，否則還具體公開了該範圍的上限和下限之間的每個中間值，下限單位的最小部 分。在所述範圍內的任何陳述值或未陳述的介入值與所述範圍內的任何其他陳述或介入值之間的任何較窄範圍都包括在內。這些較小範圍的上限和下限可以獨立地包括在該範圍內或排除在該範圍內，並且在較小範圍中包括任一個，兩個或兩個限制的每個範圍也包括在該技術內，受制於任何特別排除的限制。規定的範圍。如果規定的範圍包括一個或兩個限制，則還包括排除這些限制中的一個或兩個的範圍。在列表中提供多個值的情況下，類似地具體公開了包含或基於這些值中的任何值的任何範圍。

如本文和所附請求項中所用，單數形式“一”、“一個”和“該”包括複數指定代名詞，除非上下文另有明確說明。因此，例如提及“一種材料”則包括多種這樣的材料，並且提及“細胞”則包括提及一種以上的細胞和本領域技術人員已知的等同物等。

此外，當在本說明書和所附請求項中使用時，詞語“包括”、“包含”和“含有”是用於指定所聲明的特徵、整數、組件或操作的存在，但它們不排除存在或添加一個以上的其他特徵、整數、組件、操作、動作或群體。

100:冶金組件

109:外層材料

110:耐火容器

111:中間層材料

112:側面

113:內層材料

114:底座

115:內容積

116:孔

120:蓋

125:集電器

126:導電延伸部

130:氣密件

132:第一孔

140:陽極

145:端口

Claims (24)

1. 一種冶金組件，包括：耐火容器，該耐火容器包括側面與底座，其中該底座界定多個孔，該多個孔位於該底座的中心部分，且其中該側面與該底座至少部分地界定該耐火容器的內容積；蓋，該蓋可拆卸地耦合於該耐火容器並且被配置為與該耐火容器形成密封，其中該蓋界定穿過該蓋的多個孔；以及集電器，該集電器靠近該耐火容器的該底座，其中該集電器包括導電延伸部，該導電延伸部定位在位於該底座中心部分的該多個孔中。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的冶金組件，進一步包括氣密密封，該氣密密封圍繞耦合於被界定穿過該蓋的該多個孔的第一孔，其中該氣密密封被配置成接收可活動陽極，並且將該可活動陽極移動穿過該氣密密封與被界定界定穿過該蓋的該第一孔。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的冶金組件，其中該氣密密封被配置成限制氣體從該耐火容器釋放穿過被界定穿過該蓋的該多個孔的該第一孔。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的冶金組件，其中被界定穿過該蓋的該多個孔包括排氣孔與進料孔，該排氣孔的尺寸適於從該耐火容器中分配氣體，該進料孔的尺寸適於將材料分配進入該耐火容器。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的冶金組件，其中該耐火容器包括粉末層與相容層，該粉末層至少部分地界定該耐火容器的側壁，該相容層界定該耐火容器的底座，其中該相容層也至少部分地界定該耐火容器的該側壁。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的冶金組件，其中該耐火容器包括至少兩個材料層，其中外部層包括絕緣材料，其中該內部層包括構成為與該耐火容器的內容積中包含的電解質化學相容的材料。
7. 根據申請專利範圍第6項所述的冶金組件，其中該耐火容器進一步包括中間材料層，該中間材料層被定位以界定出該耐火容器的該內容積的至少一部份。
8. 根據申請專利範圍第6項所述的冶金組件，其中該內部層的特性在於導熱率低於或約為25W/(m．K)。
9. 根據申請專利範圍第6項所述的冶金組件，其中該絕緣材料的特性在於導熱率低於或約為5W/(m．K)。
10. 一種冶金系統，包括：申請專利範圍第1項所述的冶金組件；以及電極支撐組件，其中該電極支撐組件包括可垂直平移的支架，以及其中該可垂直平移的支架被配置成與電極耦合並且將該電極電性耦合於電源。
11. 根據申請專利範圍第10項所述的冶金系統，進一步包括系統底座，該系統底座包括平台，該耐火容器被支撐在該平台上。
12. 根據申請專利範圍第11項所述的冶金系統，進一步包括集電器，該集電器定位在該平台與該系統底座之間，其中該集電器與該耐火容器機械耦合。
13. 根據申請專利範圍第10項所述的冶金系統，其中該電極支撐組件進一步包括：桅杆，其中該桅杆包括垂直軌道，以及 可活動地與該垂直軌道耦合的台車。
14. 根據申請專利範圍第13項所述的冶金系統，其中該電極支撐組件進一步包括桁架，該桁架將該可垂直平移的支架耦合於該台車。
15. 根據申請專利範圍第14項所述的冶金系統，其中該桁架包括彎曲桁架，該彎曲桁架從該台車的第一端延伸至第二端，該可垂直平移的支架耦合在該第二端。
16. 根據申請專利範圍第15項所述的冶金系統，其中該彎曲桁架的第二端將該可垂直平移的支架定位成圍繞該耐火容器的蓋的孔的垂直軸線而軸向對齊，其中該蓋可拆卸地耦合於該耐火容器並且被配置為與該耐火容器形成密封，其中該蓋界定穿過該蓋的多個孔。
17. 根據申請專利範圍第13項所述的冶金系統，進一步包括第一電源與第二電源，該第一電源藉由該可垂直平移的支架電性耦合於該電極，該第二電源電性耦合於該台車。
18. 根據申請專利範圍第10項所述的冶金系統，其中該電極是陽極，其中該陽極的第一端在由該耐火容器界定的內容積中延伸，其中該陽極的遠端部耦合於該可垂直平移的支架。
19. 一種冶金系統，包括：耐火容器；以及電極支撐組件，其中該電極支撐組件包括可垂直平移的支架，以及其中該可垂直平移的支架被配置成與電極耦合並且將該電極電性耦合於電源，其中該電極支撐組件進一步包括：桅杆，其中該桅杆包括垂直軌道，以及 可活動地與該垂直軌道耦合的台車，其中該電極支撐組件進一步包括桁架，該桁架將該可垂直平移的支架耦合於該台車，其中該桁架包括彎曲桁架，該彎曲桁架從該台車的第一端延伸至第二端，該可垂直平移的支架耦合在該第二端。
20. 根據申請專利範圍第19項所述的冶金系統，其中該彎曲桁架的第二端將該可垂直平移的支架定位成圍繞該耐火容器的蓋的孔的垂直軸線而軸向對齊，其中該蓋可拆卸地耦合於該耐火容器並且被配置為與該耐火容器形成密封，其中該蓋界定穿過該蓋的多個孔。
21. 一種冶金系統，包括：耐火容器；以及電極支撐組件，其中該電極支撐組件包括可垂直平移的支架，以及其中該可垂直平移的支架被配置成與電極耦合並且將該電極電性耦合於電源，其中該電極支撐組件進一步包括：桅杆，其中該桅杆包括垂直軌道，以及可活動地與該垂直軌道耦合的台車，該冶金系統進一步包括第一電源與第二電源，該第一電源藉由該可垂直平移的支架電性耦合於該電極，該第二電源電性耦合於該台車。
22. 一種冶金系統，包括：耐火容器；以及 電極支撐組件，其中該電極支撐組件包括可垂直平移的支架，以及其中該可垂直平移的支架被配置成與電極耦合並且將該電極電性耦合於電源，其中該電極是陽極，其中該陽極的第一端在由該耐火容器界定的內容積中延伸，其中該陽極的遠端部耦合於該可垂直平移的支架。
23. 一種冶金系統，包括：申請專利範圍第1項所述的冶金組件，其中該多個孔的第一孔包括排氣孔；電極支撐組件；以及排氣系統，該排氣系統與該蓋的該排氣孔連接，其中該排氣系統被配置成氧化從該耐火容器接收的流出物。
24. 根據申請專利範圍第23項所述的冶金系統，其中該多個孔的第二孔被界定穿過該蓋，該第二孔包括進料孔，其中該冶金系統進一步包括進料系統，該進料系統與該進料孔連接並且被配置成提供進入該耐火容器的材料。

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