專利名稱：熔煉設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及熔煉設(shè)備，用于從氧化鋁熔煉金屬鋁，更具體地，本實(shí)用新型涉及用于控制霍爾-埃魯特(Hall-H6roult)電解還原槽中的液體電解質(zhì)和熔融金屬鋁之間的界面上的磁流體動(dòng)力效應(yīng)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
在鋁的商業(yè)生產(chǎn)中，多個(gè)霍爾-埃魯特電解槽用在通用容器或熔融“坩堝”中。金屬鋁通過(guò)電解氧化鋁而進(jìn)行生產(chǎn)，該氧化鋁溶解在熔融電解質(zhì)(冰晶石“電解液”)中并且通過(guò)高安培電流進(jìn)行還原。電流穿過(guò)導(dǎo)體引導(dǎo)至陽(yáng)極，穿過(guò)陽(yáng)極、電解質(zhì)、液體金屬(金屬“鋁液(pad)”)、陰極，以及導(dǎo)體引導(dǎo)離開(kāi)陰極，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁力(Lorentz力)，該強(qiáng)電磁力物理地?cái)嚢枰后w金屬和電解質(zhì)，從而可能導(dǎo)致波-磁流體動(dòng)力(MHD)效應(yīng)。這種MHD攪拌的存在對(duì)電解槽的操作參數(shù)和電解的能量效率形成限制。因此，期望的是允許增大能量效率的設(shè)備和方法。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，并且提供允許增大能量效率的設(shè)備。本實(shí)用新型的主題涉及一種熔煉設(shè)備，其用于在霍爾-埃魯特電解槽中由氧化鋁電解生產(chǎn)金屬鋁，所述霍爾-埃魯特電解槽具有陽(yáng)極、陰極、電解液和熔煉坩堝，所述熔煉坩堝用于容納所述電解液、氧化鋁和液體鋁層。所述熔煉坩堝具有底部和側(cè)部且所述鋁層在所述熔煉坩堝的底部上方具有指定高度。在所述熔煉坩堝中設(shè)置有壁，所述壁在所述熔煉坩堝中限定出子區(qū)域，并且所述壁延伸所述熔煉坩堝的長(zhǎng)度和寬度中的至少一個(gè)的至少一部分。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁在所述熔煉坩堝的底部上方具有的高度超過(guò)所述熔煉坩堝中所述鋁層的所述指定高度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁具有延伸到所述電解液中的高度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，在熔煉期間，所述壁的高度超過(guò)所述陽(yáng)極的下表面，使得所述陽(yáng)極緊鄰所述壁并置但是不與所述壁接觸。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁能夠引導(dǎo)熔融鋁在電磁力的影響下沿著由所述壁限定的所述子區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁在所述熔煉坩堝內(nèi)限定出至少2個(gè)子區(qū)域。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁是連續(xù)的。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁具有多個(gè)間隔開(kāi)的子元件，所述子元件布置為這樣的圖案，所述圖案限定所述壁。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述圖案為線。[0013]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁與所述熔煉坩堝的中線平行地延伸。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述熔煉設(shè)備還包括在所述熔煉坩堝中的附加壁，所述附加壁限定出附加子區(qū)域。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述附加壁設(shè)置成與第一壁大致垂直。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁在熔煉操作期間增大在電解液的另一個(gè)區(qū)域中具有的氧化鋁進(jìn)給部附近的電解液的速度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，與不具有壁的類似熔煉坩堝相比，所述電解液的速度增大了氧化鋁在電解液中的分配速度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁至少部分地由TiB2 (TiB2C)構(gòu)成。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁用作陰極，金屬鋁通過(guò)電解作用沉積在所述陰極上。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁延伸到靠近所述陽(yáng)極的高度，并且支持所述壁和所述陽(yáng)極之間的水平地取向的電流。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁降低所述陽(yáng)極和陰極之間的電阻，否則在沒(méi)有所述壁的情況將存在所述電阻。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述間隔開(kāi)的子元件為T(mén)iB2板的形式。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述板插入到所述熔煉坩堝的底部中的狹槽內(nèi)。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁至少部分地由氧化鋁構(gòu)成。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁被成比例地設(shè)定成使得所述壁在熔煉期間存留的時(shí)間與所述電解槽的陽(yáng)極所存留的時(shí)間一樣長(zhǎng)。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁為氧化鋁塊的形式。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，本實(shí)用新型的主題涉及一種熔煉方法，其用于在霍爾-埃魯特電解槽中由氧化鋁電解生產(chǎn)金屬鋁，所述霍爾-埃魯特電解槽具有陽(yáng)極、陰極、電解液和熔煉坩堝，所述熔煉坩堝用于容納所述電解液、氧化鋁和液體鋁層，所述熔煉坩堝具有底部和側(cè)部且所述鋁層在所述熔煉坩堝的底部上方具有指定高度，所述熔煉方法包括在電解生產(chǎn)鋁之前在所述熔煉坩堝中將壁插入在熔煉坩堝的底部上。所述壁在所述熔煉坩堝中限定出子區(qū)域，并且所述壁延伸所述熔煉坩堝的長(zhǎng)度和寬度中的至少一個(gè)的至少一部分。當(dāng)電解生產(chǎn)鋁時(shí)，所述壁由于磁流體動(dòng)力效應(yīng)而改變液體鋁的流體流動(dòng)，并且相對(duì)于沒(méi)有所述壁的熔煉坩堝中的波峰高度降低液體鋁中的波峰高度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁至少部分地由TiB2構(gòu)成，并且所述熔煉方法還包括以下步驟:將電流穿過(guò)所述壁引導(dǎo)至陰極并且當(dāng)電解生產(chǎn)鋁時(shí)將鋁沉積在所述壁上。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁至少部分地由氧化鋁構(gòu)成，并且所述熔煉方法還包括以下步驟:使所述壁溶解到電解液中，并且將所述壁的氧化鋁還原成金屬鋁。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁的尺寸和所述壁的溶解速率允許所述壁存留大約陽(yáng)極使用壽命的時(shí)間段，并且所述熔煉方法還包括以下步驟:當(dāng)用新的陽(yáng)極替換所述陽(yáng)極時(shí)，用新的氧化鋁替換溶解的氧化鋁。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述壁改變電解液的流體流動(dòng)，改善了氧化鋁分配并且減少了陽(yáng)極效應(yīng)。[0032]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述改變電解液中流體流動(dòng)的步驟還減少油泥的形成。根據(jù)本實(shí)用新型的方案，所述壁分隔坩堝的底部并且防止鋁在MHD力的影響下運(yùn)動(dòng)，從而降低了鋁中波的最大波峰高度并且能夠減小ACD以降低電阻和功率消耗。壁可以等于或超過(guò)陽(yáng)極的高度并且當(dāng)是導(dǎo)電的時(shí)可以用作陰極而吸引水平電流。壁可以由例如塊形式的氧化鋁構(gòu)成，能進(jìn)行電解還原并且能周期性地更換。

為了更完整地理解本實(shí)用新型，結(jié)合附圖參考示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述。圖1為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的用于電解生產(chǎn)鋁的電解還原槽的示意性俯視圖。圖2為如圖1所示的電解還原槽的電池沿線2-2截取的、沿箭頭方向看的示意性橫截面圖，其中該電解還原槽處于通用熔煉坩堝中以形成熔爐。圖3為如圖2所示的熔煉坩堝中具有的不穩(wěn)定模式相關(guān)的勢(shì)能波峰的示意圖，但是其中熔煉坩堝中沒(méi)有安裝根據(jù)本實(shí)用新型的壁，箭頭表示波峰的移動(dòng)方向。圖4為在熔煉坩堝中具有的液體金屬中形成的波峰的示意圖，該熔煉坩堝中沒(méi)有安裝根據(jù)本實(shí)用新型的壁。圖5為如圖2所示的熔煉坩堝中具有的不穩(wěn)定模式相關(guān)的勢(shì)能波峰的示意圖，其中熔煉坩堝中安裝有根據(jù)本實(shí)用新型的壁。圖6為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的用于電解生產(chǎn)鋁的電解還原槽的一部分的示意性橫截面圖。圖7為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的用于電解生產(chǎn)鋁的電解還原槽中的電解液速度的示意性俯視圖。
具體實(shí)施方式
圖1和2示出了熔爐10，其用于通過(guò)多個(gè)霍爾-埃魯特電解槽12中的氧化鋁的電化學(xué)還原來(lái)形成金屬鋁。電解槽12利用至少一個(gè)通常由碳(石墨)形成的陽(yáng)極14和陰極
16。例如3至5伏直流電(DC)的電勢(shì)通過(guò)通向電源(例如發(fā)電機(jī)/整流器(未示出))的電導(dǎo)體18、20 (母線)施加在陽(yáng)極14和陰極16兩側(cè)。該多個(gè)電解槽12可以串聯(lián)地電連接。熔爐10的特征可以在于復(fù)合側(cè)壁22，該復(fù)合側(cè)壁22具有耐熱材料(例如石墨)的內(nèi)壁24、例如由鋼制成的外側(cè)壁26、以及中間絕緣層28。絕緣層28還可以設(shè)置在陰極16和底部鋼壁30之間。陰極16和內(nèi)壁24可以結(jié)合地形成通用貯存器或坩堝32。在霍爾-埃魯特工藝中，通過(guò)溶解在熔融電解質(zhì)(主要是冰晶石)中的氧化鋁(Al2O3)的電解還原來(lái)生產(chǎn)鋁。如圖2所示，在兩個(gè)階段(即熔融液相34和固相36)中存在電解質(zhì)。電解質(zhì)的液相34通常稱為“電解液”。液體金屬鋁38的層沉積在陰極16上，并且在界面40處通過(guò)較大的密度而與液體電解質(zhì)34分離。通常，通過(guò)對(duì)穿過(guò)陽(yáng)極14、電解質(zhì)34、液體鋁38和陰極16的電流的電阻所產(chǎn)生的熱，電解質(zhì)34保持處于液體狀態(tài)。電解質(zhì)36進(jìn)一步離開(kāi)這些熱源而固化成固體外殼。隨著電流流過(guò)電解槽12，氧化鋁/電解質(zhì)溶液中所具有的帶有離子的氧在陽(yáng)極14處被電解地排放，同時(shí)伴隨有碳陽(yáng)極的消耗和CO2氣體的生成。通常在例如熔煉坩堝32的管端部處設(shè)置有罩子、管和洗滌器(未示出)，以捕集氣體。通過(guò)電解還原反應(yīng)形成的鋁38積聚在坩堝32的底部上，在抽頭41處，例如在熔煉坩堝32的抽頭端部處，從該底部周期性地抽吸鋁。通常與沖頭相關(guān)以刺穿電解質(zhì)36的外殼的進(jìn)給部42被用來(lái)添加附加的氧化鋁，以維持從電解槽12連續(xù)生產(chǎn)金屬鋁。在霍爾-埃魯特電解槽中通常使用數(shù)十萬(wàn)安培的電流。當(dāng)這種強(qiáng)電流穿過(guò)熔爐10的多個(gè)相鄰電解槽12并且穿過(guò)導(dǎo)體18、20時(shí)，生成強(qiáng)電磁力，引起MHD效應(yīng)并且干擾金屬38、液體電解質(zhì)34以及它們之間的界面42，否則該界面將會(huì)是平的且水平的，其中導(dǎo)體18、20將電能傳導(dǎo)到電解槽12以及從電解槽12傳導(dǎo)電流。由熔煉過(guò)程消耗的電能的大部分是在通過(guò)呈現(xiàn)高電阻率的液體電解質(zhì)34層的電傳導(dǎo)中消耗的。對(duì)流過(guò)電解質(zhì)34的電流的電阻取決于電流必須行進(jìn)穿過(guò)陽(yáng)極14和陰極16之間的電解質(zhì)34的距離，即取決于陽(yáng)極-陰極距離或ACD。ACD是自動(dòng)控制的，例如通過(guò)自動(dòng)地重新配置陽(yáng)極，以補(bǔ)償陽(yáng)極消耗并且在穩(wěn)定電解期間僅僅做微小變動(dòng)。通常，因?yàn)殡娮韬退褂玫哪芰侩S著ACD增大而增大，所以ACD優(yōu)選地最小化。然而,要求ACD足夠大，以使得在金屬層38和電解質(zhì)中由MHD效應(yīng)引起的波的大小不足以引起電解過(guò)程的中斷，例如由于鋁38中的波峰接觸陽(yáng)極14導(dǎo)致短路而引起中斷。圖1和2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的隔離物/壁44，其用來(lái)降低在液體鋁層38中由于MHD效應(yīng)而出現(xiàn)的波峰。壁44延伸到電解質(zhì)34/金屬38 (鋁液)界面中，從而破壞否則可能出現(xiàn)的波的連續(xù)性。電解質(zhì)34/金屬38 (鋁液)界面處波的這種中斷使得坩堝32穩(wěn)定并且允許減小ACD。壁44可以由在電解槽12環(huán)境中(即在存在熔融電解質(zhì)和金屬鋁以及強(qiáng)電流的情況下)抵抗化學(xué)和熱降解的材料形成。例如，壁44可以由TiB2板制成。壁44可以為一個(gè)或多個(gè)板的形式，該板可以插入到在陰極16中形成的狹槽46內(nèi)，壁44延伸直到超過(guò)液體鋁層38的預(yù)期高度的高度，橫過(guò)界面42并且進(jìn)入液體電解質(zhì)34?；蛘?，壁44可以相對(duì)于陰極16保持機(jī)械互鎖關(guān)系，陰極通過(guò)粘固劑附著到壁上或者通過(guò)緊固件保持到壁上，例如緊固件延伸穿過(guò)陰極16并且經(jīng)由螺紋孔機(jī)械地夾持到壁44上。作為另一種替換形式，壁44可以設(shè)置有穩(wěn)定足部，該穩(wěn)定足部防止在鋁38和電解質(zhì)34中預(yù)期由MHD波施加的力的作用下傾斜。作為另一種替換形式，壁44可以由氧化鋁板或塊形成。由氧化鋁制成的壁44將逐漸溶解在電解質(zhì)34中，但是其尺寸可以形成為對(duì)于指定的預(yù)期時(shí)間段維持壁結(jié)構(gòu)。例如，由氧化鋁塊制成的壁的尺寸可以形成為在熔融電解質(zhì)中存留大約陽(yáng)極使用壽命的時(shí)間段。在這個(gè)例子中，可以在安裝新的陽(yáng)極14的同時(shí)安裝形成壁44的氧化鋁塊，期望在用新的陽(yáng)極14替換消耗的陽(yáng)極14 (例如在陽(yáng)極設(shè)定之后)的同時(shí)安裝形成新的壁44的新的氧化鋁塊。由氧化鋁塊制成的壁44的溶解對(duì)在正常操作期間由氧化鋁生產(chǎn)金屬鋁的電解槽12的功能沒(méi)有負(fù)面影響。雖然幾何形狀不需要等同，但是在圖1中，所示的壁41將坩堝32的容積沿著對(duì)稱縱向軸線縱向地分為兩個(gè)大致相等的區(qū)域(當(dāng)從頂部看時(shí)由區(qū)域A+B和C+D構(gòu)成)。壁44可以是連續(xù)的或者可以由定位成彼此相鄰的多個(gè)隔離物部件44c形成。在復(fù)合壁44中的隔離物部件44c可以在它們之間具有空間，而基本上不會(huì)減弱波峰降低效果。在連續(xù)壁44的情況下或者在由多個(gè)子元件44c (它們之間具有間距)制成壁44的情況下，壁44將坩堝32中的熔融鋁液38和/或電解質(zhì)34再分為子區(qū)域(例如A和C)，該子區(qū)域具有由于磁流體動(dòng)力效應(yīng)而在鋁中產(chǎn)生的特征流動(dòng)和波，并且在具有鋁液38中具有特征波峰高度，這可能與沒(méi)有壁44的坩堝32中的情況不同。在多個(gè)隔離物部件的情況下，例如在成直線布置且在它們之間具有空間以形成壁的44c的情況下，所得的壁形成流體引導(dǎo)件，以在由壁44J艮定的子區(qū)域中形成流動(dòng)圖案，即使隔離物部件44。之間的空間將允許熔融金屬鋁在它們之間的某些流動(dòng)。附加的壁44 可以用來(lái)將坩堝32和鋁液38分為較小的子區(qū)域，例如，壁44w可以延伸過(guò)坩堝32的寬度，以形成四個(gè)子區(qū)域A、B、C、D。注意到，壁44w比熔爐10的一端更靠近熔爐10的另一端，示出了除了精確相等的細(xì)分之外坩堝32的細(xì)分在降低波峰方面也是有效的。和壁4\ 一樣，壁44w可以形成為一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)或者可以由多個(gè)元件制成，在該多個(gè)元件之間可以具有間距。熔爐10可以初始設(shè)計(jì)成容納一個(gè)或多個(gè)壁44或者現(xiàn)有的熔爐10可以改進(jìn)為具有壁44。圖3示出了在熔煉坩堝中可能期望的波峰，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，且如M.Segatz和C.Droste的文章中所述的，該文章為“鋁電解還原槽中磁流體動(dòng)力不穩(wěn)定性分析(Analysis of Magneto-hydrodynamic Instabilitiesin Aluminum Reduction Cells)，，，LightMetals, 1994。利用MHD計(jì)算機(jī)建模，可以生產(chǎn)以下數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)描述了在現(xiàn)有的商業(yè)生產(chǎn)熔煉坩堝中預(yù)期出現(xiàn)的穩(wěn)定性參數(shù)(S.P.)、生長(zhǎng)速率(g.r.)、波的頻率和周期，該熔煉坩堝已知為AlcoaPlOO，并且具有的坩堝腔體尺寸為7798mm x 2651mm。以下的值假定ACD為38mm，在大約4.5V下電流負(fù)荷為128kA，并且液體金屬鋁的深度為102mm。
s.p.(g.r.) 頻率周期0.00490.49 12.7
0.01350.44 14.3 0.01710.39 16.2 0.02140.33 19.1 0.02790.27 23.3 003080.23 27.4 0.09130.20 31.7圖4以圖像示出了來(lái)自上述建模的最不穩(wěn)定模型的波峰，即與周期31.7相關(guān)的波峰。本實(shí)用新型認(rèn)識(shí)到，由于MHD不穩(wěn)定性導(dǎo)致的最大波峰的振幅與ACD、熔煉坩堝的長(zhǎng)度和寬度尺寸、液體鋁層38的深度和未中斷表面面積(供參考的是，其可以在不存在MHD不穩(wěn)定性的靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行測(cè)量)以及界面42有關(guān)。另外，利用壁44劃分容納在坩堝32中的液體金屬和液體電解質(zhì)的一部分可以阻止液體金屬在MHD力(Lorenz力)的影響下運(yùn)動(dòng),而消除了各種不穩(wěn)定模式，降低了最大波峰的大小且允許減小ACD，從而降低了電阻和功耗。圖5示出了與圖3類似的波峰， 但是在該圖中，所示的波峰為當(dāng)壁44安裝在坩堝32中以劃分坩堝的容積時(shí)所具有的波峰。從圖5中可以看到，與圖3相比，許多之前不穩(wěn)定模型的波已經(jīng)被消除。[0054]以下是與具有根據(jù)本實(shí)用新型的壁44的熔煉坩堝相關(guān)的最不穩(wěn)定模型的建模值，該壁具有以下所示的構(gòu)造，并且利用所述的ACD進(jìn)行熔煉，所有都相對(duì)于具有這樣的坩堝尺寸的熔煉坩堝而進(jìn)行:7798mm x 2651mm，運(yùn)行于在4.5V下為128kA的電負(fù)荷以及為102mm的平均液體鋁深度。兩個(gè)中心定向的垂直的壁4\和44w
ACD 子區(qū)域s.p.(g.r.) 周期38mm A 0.0033931/秒 8.078 秒“B 0.004951/秒 5.429 秒
“C 0.0031451/s 7.099 秒
“D 0.0073791/s 5.477 秒一個(gè)縱向壁4\
ACD子區(qū)域s.p.( g.r.)周期
38mmA+B0.0 078001/秒 13.79 秒
“C+D0.0070351/秒 15.57 秒
28mmA+B0.011601/秒17.68 秒
“C+D0.0070351/秒 15.57 秒
20mmA+B0.021421/秒22.15 秒
“C+D0.06981/秒24.43 秒以上示出了在i甘堝32中使用壁44可以將A⑶從40mm減小至30mm,從而導(dǎo)致電壓降低估計(jì)大約0.5V。代替由于使用較少電能而導(dǎo)致的節(jié)省的是，熔爐操作者可能寧愿增大負(fù)荷以獲得較大的產(chǎn)量，例如，利用相同的電能的量增加5-10%的負(fù)荷。圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的電解槽12內(nèi)的示例性尺寸。陽(yáng)極對(duì)陰極的距離(A⑶)的傳統(tǒng)測(cè)量定為I，其可以為例如20mm到40mm。測(cè)量距離I時(shí)的“陰極”包括液體鋁層或“鋁液” 38，其厚度定為J，J平均可為例如102mm。壁44穿過(guò)鋁液38延伸到電解質(zhì)34中，到鋁液38上方的高度F，該高度F為大約O至大約15cm?？扇芜x地，陽(yáng)極對(duì)陰極的距離I可以比壁F的高度小大小E。壁44低于電解質(zhì)34的高度G，該高度G可以為例如大約15cm至大約18cm。從陽(yáng)極14到壁44的距離H可以為例如大約5cm至大約10cm。如果壁44由導(dǎo)電材料(例如TiB2板)制成，那么距離H可以描述為水平的陽(yáng)極對(duì)陰極的距離(HA⑶)，如下進(jìn)一步解釋的。由于壁44靠近陽(yáng)極14，并且由于壁44(如果由類似TiB2的電導(dǎo)體制成)和陰極16之間的電連續(xù)性，那么從陽(yáng)極14到陰極16的電流的一部分穿過(guò)該壁44。在該例子中，壁44電氣地用作陰極16的一部分。因此,在壁44處還原氧化招,生成的金屬鋁沉積在壁44上。沉積的金屬鋁涂覆壁44，保護(hù)壁44不受電解質(zhì)34的腐蝕影響。對(duì)于穿過(guò)電解槽12的任何指定電流，因?yàn)殡娏鞯囊徊糠质茄厮椒较蛞粰M跨間隙H，所以沿豎直方向的電流(橫跨間隙I)相對(duì)于在水平方向沒(méi)有電流的情況而言被減小了。這種沿豎直方向的相對(duì)減小的電流減小了與豎直方向電流相關(guān)的磁流體動(dòng)力效應(yīng)，并且產(chǎn)生與水平電流相關(guān)磁流體動(dòng)力運(yùn)動(dòng)。這種電流分為垂直分量降低了總電阻，并且在電流沿單個(gè)方向穿過(guò)電解槽的情況下降低了否則將會(huì)存在的最大波高度。如上所述，壁44可以由氧化鋁制成，該氧化鋁例如為氧化鋁塊的形式。在霍爾-埃魯特過(guò)程中氧化鋁是消費(fèi)品。由氧化鋁制成的壁44將不會(huì)傳導(dǎo)電力，因此將不會(huì)支持水平電流或者將不會(huì)構(gòu)成氧化鋁被還原成金屬鋁的基底。由例如氧化鋁塊的氧化鋁制成的壁44可以成比例地設(shè)定成溶解在半陽(yáng)極設(shè)定循環(huán)中，于是新的氧化鋁塊可以插入在相鄰電解槽12的陽(yáng)極14之間。與用來(lái)制造壁44的材料無(wú)關(guān)的是，子元件44c之間的間距可以設(shè)置在抽頭41或進(jìn)給部42附近，以確保機(jī)械間隔，從而允許在不遇到和/或損壞具有抽頭或進(jìn)給設(shè)備的壁44的情況下進(jìn)行抽頭和進(jìn)給。圖7示出了通過(guò)計(jì)算機(jī)建模而計(jì)算的熔爐10中的電解液34的流速矢量V。壁44的三個(gè)隔離物部件44a、44b、44c附近的電解液速度小于隔離物部件44d和44e處的速度。通過(guò)虛線矩形示意性地示出了兩個(gè)氧化鋁進(jìn)給部50、52。建模顯示，電解質(zhì)34的速度在氧化鋁進(jìn)給部52附近比在進(jìn)給部50處相對(duì)較高。在進(jìn)給部50、52處進(jìn)給到熔爐10的氧化鋁以粉末的形式進(jìn)入并且向下滴落穿過(guò)電解質(zhì)34。最佳地，在陰極16上形成降低熔爐10的性能的油泥之前，氧化鋁溶解在電解質(zhì)34中。相對(duì)于基本上沒(méi)有油泥積聚的坩堝，具有大油泥區(qū)域的坩堝可能不太穩(wěn)定并且效率下降。較好的氧化鋁分配可以降低陽(yáng)極效應(yīng)，陽(yáng)極效應(yīng)會(huì)非生產(chǎn)性地消耗能量并且產(chǎn)生溫室氣體，例如CF4和C2F6。電解質(zhì)34通過(guò)鋁液38進(jìn)行攪拌，鋁液38由磁流體動(dòng)力的力攪拌，雖然具有失穩(wěn)效應(yīng)，但是磁流體動(dòng)力的力確實(shí)攪拌電解質(zhì)34，這有助于分配和溶解進(jìn)給的氧化鋁粉末，防止形成油泥。因此，在任一進(jìn)給部和/或兩個(gè)進(jìn)給部50、52附近的較高速度的電解質(zhì)34具有與氧化鋁在電解質(zhì)中的分配和溶解速率增大相關(guān)的有益效果。與沒(méi)有壁44的通常坩堝相比，壁44可以將氧化鋁分配提高例如10%，以允許增大氧化鋁分配和溶解速率，而同時(shí)降低金屬鋁液38的整體波峰高度，從而允許較小的ACD和較大的能量效率。較佳的氧化鋁分配和溶解可以有助于降低陽(yáng)極效應(yīng)和在坩堝底部形成油泥的可能性。應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的實(shí)施例僅僅只是示例性的，在不脫離所要求保護(hù)主題的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出許多變化和修改。所有這些變化和修改將包含在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本申請(qǐng)要求2011年8月5日提交的序列號(hào)為61/515，396的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容全文以引用方式并入本文中。
權(quán)利要求1.一種熔煉設(shè)備，其用于在霍爾-埃魯特電解槽中由氧化鋁電解生產(chǎn)金屬鋁，所述霍爾-埃魯特電解槽具有陽(yáng)極、陰極、電解液和熔煉坩堝，所述熔煉坩堝用于容納所述電解液、氧化鋁和液體鋁層，所述熔煉坩堝具有底部和側(cè)部且所述鋁層在所述熔煉坩堝的底部上方具有指定高度，其特征在于，所述熔煉設(shè)備包括: 壁，所述壁設(shè)置在所述熔煉坩堝中，所述壁在所述熔煉坩堝中限定出子區(qū)域，并且所述壁延伸所述熔煉坩堝的長(zhǎng)度和寬度中的至少一個(gè)的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁在所述熔煉坩堝的底部上方具有的高度超過(guò)所述熔煉坩堝中所述鋁層的所述指定高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁具有延伸到所述電解液中的高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，在熔煉期間，所述壁的高度超過(guò)所述陽(yáng)極的下表面，使得所述陽(yáng)極緊鄰所述壁并置但是不與所述壁接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁能夠引導(dǎo)熔融鋁在電磁力的影響下沿著由所述壁限定的所述子區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁在所述熔煉坩堝內(nèi)限定出至少2個(gè)子區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁是連續(xù)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁具有多個(gè)間隔開(kāi)的子元件，所述子元件布置為這樣的圖案，所述圖案限定所述壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述圖案為線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁與所述熔煉坩堝的中線平行地延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述熔煉設(shè)備還包括在所述熔煉坩堝中的附加壁，所述附加壁限定出附加子區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述附加壁設(shè)置成與第一壁大致垂直。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁在熔煉操作期間增大在電解液的另一個(gè)區(qū)域中具有的氧化鋁進(jìn)給部附近的電解液的速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁至少部分地由TiB2構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁用作陰極，金屬鋁通過(guò)電解作用沉積在所述陰極上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁延伸到靠近所述陽(yáng)極的高度，并且支持所述壁和所述陽(yáng)極之間的水平地取向的電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁降低所述陽(yáng)極和陰極之間的電阻，否則在沒(méi)有所述壁的情況將存在所述電阻。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述間隔開(kāi)的子元件為T(mén)iB2板的形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述板插入到所述熔煉坩堝的底部中的狹槽內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁至少部分地由氧化鋁構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁被成比例地設(shè)定成使得所述壁在熔煉期間存留的時(shí)間與所述電解槽的陽(yáng)極所存留的時(shí)間一樣長(zhǎng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熔煉設(shè)備，其特征在于，所述壁為氧化鋁塊的形式。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種熔煉設(shè)備，其用于在霍爾-埃魯特電解槽中由氧化鋁電解生產(chǎn)金屬鋁，該電解槽具有陽(yáng)極、陰極、電解液和熔煉坩堝，熔煉坩堝用于容納電解液、氧化鋁和液體鋁層，熔煉坩堝具有底部和側(cè)部且鋁層在熔煉坩堝的底部上方具有指定高度。熔煉設(shè)備包括壁，壁設(shè)置在熔煉坩堝中，在熔煉坩堝中限定出子區(qū)域，并且延伸熔煉坩堝的長(zhǎng)度和寬度中的至少一個(gè)的至少一部分。壁分隔坩堝的底部并且防止鋁在MHD力的影響下運(yùn)動(dòng)，從而降低了鋁中波的最大波峰高度并且能夠減小ACD以降低電阻和功率消耗。壁可以等于或超過(guò)陽(yáng)極的高度并且當(dāng)是導(dǎo)電的時(shí)可以用作陰極而吸引水平電流。壁可以由例如塊形式的氧化鋁構(gòu)成，能進(jìn)行電解還原并且能周期性地更換。
文檔編號(hào)C25C3/08GK203065598SQ201220386548
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者阮毅敏, E·A·庫(kù)恩, J·S·于貝爾奧爾, D·J·杜克 申請(qǐng)人:美鋁公司