相關申請的交叉參考

本申請是非臨時的，并要求2015年2月11日提交的題為“systemsandmethodsforpurifyingaluminium”的美國申請系列號62/114,961的優(yōu)先權，其經此引用以全文并入本文。

背景技術：

胡普斯(hoopes)法是已經用于獲得具有極高純度的鋁金屬的電解法。

總體上，本申請涉及利用電解槽以從含有鋁金屬的原料提供提純的鋁產品的不同配置和工藝。更具體而言，本申請涉及利用豎直取向的、間隔開的陽極與陰極構造，其中該陽極和陰極由鋁可濕性材料構成，以便降低極間距離，并提高運行的電解槽的電極表面積(例如提純區(qū)域)從而以低得多的能耗和更高的生產率由鋁原料(例如包括鋁金屬和/或其合金的原料)制造提純的鋁金屬產品。

技術實現(xiàn)要素：

在一個方面，提供了一種方法，包括：(a)將鋁原料進料到鋁電解槽的槽入口通道中，其中該鋁電解槽配置為具有至少兩個區(qū)域，包括熔融金屬液層區(qū)域和電解液區(qū)域(例如反應/提純區(qū)域)，此外其中該鋁原料保留在所述熔融金屬液層區(qū)域中；(b)引導電流進入陽極穿過電解液并進入陰極，其中該陽極包含細長立式陽極，并且其中該陰極包含細長立式(vertical)陰極，其中該陽極和陰極配置為延伸到電解液區(qū)域中(例如以相對的、間隔開的構造)，使得在電解液區(qū)域中，該陽極和陰極配置為具有陽極-陰極重疊和陽極-陰極距離[其中陽極、陰極和電解液(電和機械地)配置為包含在鋁電解槽中]；(c)用來自熔融金屬液層的熔融材料潤濕該細長立式陽極的至少一部分表面，其中該熔融材料包括鋁金屬；(d)伴隨著引導步驟，由細長立式陽極表面上的鋁金屬在該電解液中產生至少一部分鋁離子；和(e)伴隨著引導步驟，在該浴中將至少一部分鋁離子還原到細長立式陰極的表面上以制造熔融的提純鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：在進料步驟之前，熔融該原材料。

在一些實施方案中，該方法包括：收集至少一部分提純的鋁產品上層，其中該上層包含熔融的提純鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：從該鋁電解槽中移出提純的鋁產品。

在一些實施方案中，該移出步驟包括將該槽放液(tapping)。

在一些實施方案中，該移出步驟包括：將提純的鋁產品澆鑄成錠以提供具有至少99.5重量％的鋁純度的鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：收集至少一部分提純的鋁上層，其中該上層包含提純的鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：經由槽入口通道移出鋁電解槽中來自熔融金屬液層的殘液和/或殘渣。

在一些實施方案中，該陽極和陰極由鋁可濕性材料構造。

在一些實施方案中，該引導步驟進一步包括向該細長立式陽極供應電流。

在一些實施方案中，該陽極和陰極浸沒在電解液中。

在一些實施方案中，該方法包括：提純的鋁產品包含至少99.5重量％至最高99.999重量％al的鋁純度。

在一些實施方案中，該方法包括：提純的鋁產品包含至少99.8重量％至最高99.999重量％al的鋁純度。

在一些實施方案中，提純的鋁產品包含至少99.9重量％至最高99.999重量％al的鋁純度。

在一些實施方案中，該方法包括：提純的鋁產品包含至少99.98重量％至最高99.999重量％al的鋁純度。

在另一方面，提供了一種方法，包括：(a)提供包括至少兩個區(qū)域的鋁電解槽，包括電解液區(qū)域(例如反應/提純區(qū)域)和包含鋁原料的熔融金屬液層區(qū)域(例如原料區(qū)域)；(b)引導電流進入陽極穿過電解液并進入陰極，其中該陽極包含細長立式陽極，并且其中該陰極包含細長立式陰極，其中該陽極和陰極與該電解液電連通，并配置為延伸到電解液區(qū)域中(例如以相對的、間隔開的構造)，使得該陽極和陰極配置為具有陽極-陰極重疊和陽極-陰極距離；其中該陽極、陰極和電解液配置為包含在鋁電解槽中；(c)用來自熔融金屬液層的熔融材料區(qū)域潤濕該細長立式陽極的至少一部分表面，其中該熔融材料包括鋁金屬；(d)伴隨著引導步驟，由細長立式陽極表面上的鋁金屬在該電解液中產生至少一部分鋁離子；和(e)伴隨著引導步驟，在該浴中將至少一部分鋁離子還原到細長立式陰極的表面上以制造熔融的提純鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：形成包括提純的鋁產品的第三區(qū)域，其中該第三區(qū)域配置在電解液區(qū)域上方以限定上層。

在一些實施方案中，該方法包括：經由放液操作從鋁電解槽中移出至少一部分提純的鋁產品。

在一些實施方案中，該方法包括：將提純的鋁產品澆鑄成鑄件形式(例如錠)。

在一些實施方案中，該方法包括：(a)將鋁原料進料到鋁電解槽的槽入口通道中。

在一些實施方案中，該方法包括提純鋁以使得以1至15kwh/kg提純的鋁產品的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁產品。

在一些實施方案中，以2至10kwh/kg提純的鋁產品的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。

在一些實施方案中，以2至6kwh/kg提純的鋁產品的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括：用惰性氣體吹掃該槽室。

在一些實施方案中，該方法包括：經由配置在鋁電解槽的耐火材料頂蓋內的惰性氣體入口使惰性氣體流入鋁電解槽，其中該惰性氣體配置為在槽室中限定的氣相空間(例如位于電解液和/或提純的鋁產品上方)中提供惰性氣氛。

在一些實施方案中，該方法包括：向鋁原料中添加致密化助劑以配置鋁原料的密度，以便在潤濕步驟之前保留在熔融金屬液層區(qū)域中。

在一些實施方案中，該方法包括：經由槽入口通道向鋁電解槽中添加浴組分。

在一些實施方案中，該浴組分配置為補充電解液并促進生產與還原步驟。

在一些實施方案中，該細長立式陽極包含tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料、w、mo、鋼及其組合的至少一種，該細長立式陰極包含tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料及其組合的至少一種。

在另一方面，提供了一種鋁電解槽，包括：(a)基座、耐火材料側壁和耐火材料頂蓋；(b)位于基座附近的底部，該底部具有上表面；(c)與該底部電連通的陽極連接器，該陽極連接器具有配置為連接到外部電源的外端；(d)從該底部的上表面向上延伸的細長立式陽極，該細長立式陽極具有：(i)連接到該底部的上表面的近端；(ii)朝向耐火材料頂蓋向上延伸的自由遠端；和(iii)中間部分；(e)靠近該耐火材料頂蓋的陰極連接器，該陰極連接器具有：(i)配置為連接到外部電源的上連接桿；和(ii)下表面；(f)從該陰極連接器的下表面向下延伸的細長立式陰極，該細長立式陰極具有：(i)連接到該陰極連接器的上表面的近端；(ii)朝向基座向下延伸的自由遠端；和(iii)中間部分；其中該細長立式陰極與該細長立式陽極重疊，以使得該細長立式陰極遠端靠近該細長立式陽極的中間部分，并且該細長立式陽極的遠端靠近該細長立式陰極的中間部分。

在一些實施方案中，該槽包括：由耐火材料側壁、耐火材料頂蓋和底部限定的槽室；穿過耐火材料側壁的下部由此提供到槽室下部的通路的槽入口通道，該槽入口通道具有入口孔。

在一些實施方案中，該槽包括：穿過耐火材料側壁的上部的鋁提取孔，由此提供到槽室上部的通路。

在一些實施方案中，該槽包括：配置成向槽室提供惰性氣氛的在耐火材料頂蓋中形成的惰性氣體入口。

在一些實施方案中，該槽包括：外殼，其中該外殼包含：位于基座下方的殼底板；和與耐火材料側壁隔開并圍繞該耐火材料側壁的殼側壁。

在一些實施方案中，該槽包括：熱絕緣體，其中該熱絕緣體位于殼底板與基座之間，以及殼側壁與耐火材料側壁之間。

在一些實施方案中，該細長立式陽極是鋁可濕性的。

在一些實施方案中，該陽極選自：tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料、w、mo、鋼及其組合的至少一種。

在一些實施方案中，該細長立式陰極是鋁可濕性的。

在一些實施方案中，該陰極選自：tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料及其組合的至少一種。

在另一方面，提供了一種方法，包括：(a)向鋁電解槽中的細長立式陽極供應電流，該鋁電解槽包含：(i)基座、耐火材料側壁和耐火材料頂蓋；(ii)位于基座附近的底部；(iii)由耐火材料側壁、耐火材料頂蓋和底部限定的槽室；(iv)在底部上方的包含在該槽室中的熔融金屬液層；其中該熔融金屬液層包含鋁和雜質；(v)在該熔融金屬液層上方的包含在該槽室中的提純鋁的上層；(vi)包含在該槽室中并分離該上層與熔融金屬液層的底部層的電解液；(vii)由該底部向上延伸，穿過熔融金屬液層并終止在電解液中的細長立式陽極；(viii)靠近該耐火材料頂蓋的陰極連接器；(ix)由陰極連接器向下延伸并終止在電解液中以使該細長立式陰極與該細長立式陽極在電解液中重疊的細長立式陰極；(b)用來自熔融金屬液層的熔融材料潤濕該細長立式陽極的至少一部分表面；(c)經由該細長立式陽極由熔融金屬液層制造鋁離子；(d)經由該細長立式陰極還原至少一部分鋁離子，由此制造提純的鋁；(e)收集上層中至少一部分提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括提供具有至少99.5重量％至最高99.999重量％al的提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括提供具有至少99.8重量％至最高99.999重量％al的提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括提供具有至少99.9重量％至最高99.999重量％al的提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括提供具有至少99.98重量％至99.999重量％al的提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括經由槽入口孔將鋁原料添加到槽室中。

在一些實施方案中，該添加步驟包括以第一進料速率將鋁原料計量加入到槽室中。

在一些實施方案中，該方法包括以第二移出速率從該槽室中移出提純的鋁。

在一些實施方案中，至少部分基于第二移出速率來控制第一進料速率。

在一些實施方案中，該添加步驟包括向槽室中周期性添加該鋁原料。

在一些實施方案中，該方法包括從槽室中周期性移出提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括制造提純的鋁以使得以1至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法提供了以2至10kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造的提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法提供了以2至6kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括用惰性氣體吹掃該槽室。

附圖概述

圖1是本公開的用于提純鋁的電解槽的實施方案的示意性剖視側視圖。

圖2是本公開的用于提純鋁的電解槽的實施方案的示意性剖視側視圖。

圖3是用于實驗室規(guī)模試驗的電解提純槽的側面示意圖(正視圖)。

圖4是用于實驗室規(guī)模試驗的電解提純槽(未顯示陰極組件)的自上而下的示意圖(平面圖)。

圖5是描述獲得的實驗數(shù)據(jù)的圖，顯示為通過icp確定的金屬中的fe(重量％)，對各個槽顯示。

發(fā)明詳述

將參照附圖進一步解釋本發(fā)明，其中在多個附圖中類似的結構由類似的附圖標記來指示。顯示的附圖不一定按比例繪制，重點通常放在說明本發(fā)明的原理。此外，一些特征可能被夸大以顯示特定部件的細節(jié)。

這些附圖構成說明書的一部分，并包括本發(fā)明的說明性實施方案，描述了其各種目的和特征。此外，該附圖不一定按比例繪制，一些特征可能被夸大以顯示特定部件的細節(jié)。此外，附圖中顯示的任何測量、規(guī)格等等意在為說明性的而非限制性的。因此，本文中公開的具體結構和功能細節(jié)不應解釋為限制性的，而僅僅是用于教導本領域技術人員不同地應用本發(fā)明的代表性基礎。

在已經公開的這些益處和改進中，通過結合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將變得顯而易見。在本文中公開了本發(fā)明的詳細實施方案；但是，要理解的是，公開的實施方案僅說明以各種形式實施的本發(fā)明。此外，接合本發(fā)明的各種實施方案給出的各實施例意在為說明性的而非限制性的。

在說明書和權利要求書通篇中，以下術語采取與本文中明確相關的含義，除非上下文另行明確規(guī)定。本文中所用的短語“在一個實施方案中”和“在一些實施方案中”不一定是指相同的實施方案，雖然可能如此。此外，本文中所用的短語“在另一實施方案中”和“在另一些實施方案中”不一定是指不同的實施方案，雖然可能如此。由此，如下文所述，本發(fā)明的各種實施方案可以容易地結合，而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。

此外，本文中所用的術語“或”是包容性的“或”運算符，等價于術語“和/或”，除非上下文明確地另行規(guī)定。術語“基于”不是排它性的，并且允許基于未描述的附加因素，除非上下文明確地另行規(guī)定。此外，在本說明書通篇中，“一個(a)”、“一種(an)”和“該”的含義包括復數(shù)指代?！霸凇小钡暮x包括“在……中”和“在……上”。

本文中所用的“鋁原料”是指具有至少80重量％的鋁的材料。

本文中所用的“提純的熔融鋁”是指具有至少99.5重量％的鋁的熔融材料。

本文中所用的“熔融金屬液層”是指位于電解液下方的熔融材料儲池，其中該熔融材料包含鋁。

本文中所用的“殘渣”是指在鋁提純過程中沉淀的廢料。在一些實施方案中，殘渣包含固體材料。

本文中所用的“殘液”是指含有非常高雜質含量的鋁。

本文中所用的“鋁可濕性”是指具有不大于90°的與熔融鋁的接觸角。

本文中所用的“電解液”是指其中通過離子/離子物質的移動進行電流流動的介質。在一個實施方案中，電解液可以包含熔融鹽。

本文中所用的“能量效率”是指每千克由鋁電解槽生產的提純鋁，由該鋁電解槽消耗的能量的量(以千瓦時為單位)。因此，能量效率可以表示為kwh/kg制得的鋁(kwh/kg)。

本文中所用的“陽極-陰極重疊”(aco)是指由細長立式陽極的遠端到相應的細長立式陰極的遠端的豎直距離。

本文中所用的“陽極-陰極距離”(acd)指的是將細長立式陽極與相應的細長立式陰極分開的水平距離。

在一個實施方案中，本發(fā)明包括一種鋁電解槽。該槽可以包括基座、耐火材料側壁和耐火材料頂蓋。該槽可以包括位于基座附近的底部，其中該底部具有上表面。該槽可以包括與該底部電連通的陽極連接器，該陽極連接器具有配置為連接到外部電源的外端。該槽可以包括從該底部的上表面向上延伸的細長立式陽極。該細長立式陽極可以具有連接到該底部的上表面的近端、朝向耐火材料頂蓋向上延伸的自由遠端，以及中間部分。該槽可以包括靠近該耐火材料頂蓋的陰極連接器。該陰極連接器可以具有配置為連接到外部電源的上連接桿，和下表面。該槽可以具有從該陰極連接器的下表面向下延伸的細長立式陰極。該細長立式陰極可以具有連接到該陰極連接器的上表面的近端、朝向基座向下延伸的自由遠端、以及中間部分。在一個實施方案中，該細長立式陰極與該細長立式陽極重疊，以使得該細長立式陰極遠端靠近該細長立式陽極的中間部分，并且該細長立式陽極的遠端靠近該細長立式陰極的中間部分。

在一個實施方案中，該鋁電解槽包括由耐火材料側壁、耐火材料頂蓋和底部限定的槽室。該槽可以包括穿過耐火材料側壁的下部由此提供到槽室下部的通路的入口通道。該槽入口通道可以具有入口孔。

在一個實施方案中，該鋁電解槽包括穿過耐火材料側壁的上部的鋁提取孔，由此提供到槽室上部的通路。在一個實施方案中，該鋁電解槽包括配置成向槽室提供惰性氣氛的在耐火材料頂蓋中形成的惰性氣體入口。

在一個實施方案中，該鋁電解槽包括外殼，其中該外殼包含：位于基座下方的殼底板；和與耐火材料側壁隔開并圍繞該耐火材料側壁的殼側壁。該鋁電解槽可以包括熱絕緣體，其中該熱絕緣體位于殼底板與基座之間，以及殼側壁與耐火材料側壁之間。

在一個實施方案中，該細長立式陽極是鋁可濕性的。在這方面，該細長立式陽極可以包括tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料、w、mo、鋼及其組合的至少一種。

在一個實施方案中，該細長立式陰極是鋁可濕性的。在這方面，該細長立式陰極可以包括tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料及其組合的至少一種。

不受任何特定機理或理論的束縛，據(jù)信，該陽極被配置為經受電化學反應，使得含有雜質的鋁金屬被陽極化為鋁離子al³⁺(傳送至電解液)以使雜質留在陽極上。隨后，該離子被還原到陰極表面上，并形成鋁金屬，其中該金屬為提純形式，因為雜質保留在陽極表面上和/或收集在金屬液層中(例如該雜質的給定密度vs.電解液/浴組分)。

在一個實施方案中，本發(fā)明包括一種方法。該方法可以包括向鋁電解槽中的細長立式陽極供應電流。該鋁電解槽可以包括基座、耐火材料側壁和耐火材料頂蓋。該鋁電解槽可以包括位于基座附近的底部。該鋁電解槽可以包括由耐火材料側壁、耐火材料頂蓋和底部限定的槽室。該鋁電解槽可以包括在底部上方的包含在該槽室中的熔融金屬液層。該熔融金屬液層可以包括鋁和雜質。該鋁電解槽可以包括在該熔融金屬液層上方的包含在該槽室中的提純的鋁的上層。該鋁電解槽可以包括包含在該槽室中并分離該上層與熔融金屬液層的電解液。該細長立式陽極可以由該底部向上延伸，穿過熔融金屬液層并終止在電解液中。該鋁電解槽可以包括靠近該耐火材料頂蓋的陰極連接器。該鋁電解槽可以包括由陰極連接器向下延伸并終止在電解液中以使該細長立式陰極與該細長立式陽極在電解液中重疊的細長立式陰極。該方法可以包括用來自熔融金屬液層的熔融材料潤濕該細長立式陽極的至少一部分表面。該方法可以包括經由該細長立式陽極由熔融金屬液層制造鋁離子。該方法可以包括經由該細長立式陰極還原至少一部分鋁離子，由此制造提純的鋁。該方法可以包括收集上層中至少一部分提純的鋁。

在該方法的一些實施方案中，該提純的鋁包含99.5重量％至99.999重量％的al。在該方法的一些實施方案中，該提純的鋁包含至少99.8重量％至99.999重量％的al。在該方法的一些實施方案中，該提純的鋁包含至少99.9重量％至99.999重量％的al。在該方法的一些實施方案中，該提純的鋁包含至少99.98重量％至99.999重量％的al。

在一些實施方案中，該方法包括經由槽入口孔將鋁原料添加到槽室中。在該方法的一些實施方案中，該添加步驟包括以第一進料速率將鋁原料計量加入到槽室中。在一些實施方案中，該方法包括以第二移出速率從該槽室中移出提純的鋁。在該方法的一些實施方案中，至少部分基于第二移出速率來控制第一進料速率。在該方法的一些實施方案中，該添加步驟包括向槽室中周期性添加該鋁原料。在一些實施方案中，該方法包括從槽室中周期性移出提純的鋁。

在該方法的一些實施方案中，以1至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。在該方法的一些實施方案中，以2至10kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。在該方法的一些實施方案中，以2至6kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽制造提純的鋁。

在一些實施方案中，該方法包括用惰性氣體吹掃該槽室(19)。

圖1和2是用于提純鋁的電解槽的示意圖。在所示實施方案中，該電解槽(1)包含基座(7)、耐火材料側壁(15)和耐火材料頂蓋(17)。該鋁電解槽(1)包括位于基座(7)附近的底部(30)。該底部(30)具有上表面(32)和下表面(34)。在一些實施方案中，該底部(30)的上表面(32)是傾斜的。在一些實施方案中，該斜率包括小于10°的角度。在一些實施方案中，該斜率包括約3至5°的角度。該鋁電解槽(1)包括陽極連接器(20)。該陽極連接器(20)與底部(30)的下表面(34)電連通。在一些實施方案中，該底部包括配置為接收該陽極連接器的至少一個插槽。該陽極連接器(20)具有配置為連接到外部電源的外端(22)。

該鋁電解槽(1)包括從該底部的上表面(32)向上延伸的至少一個細長立式陽極(40)。該細長立式陽極(40)具有近端(42)、自由遠端(44)和中間部分(46)。該細長立式陽極的近端(42)連接到該底部的上表面(32)。該細長立式陽極的自由遠端(44)朝向耐火材料頂蓋(17)向上延伸。在一些實施方案中，該細長立式陽極(40)是鋁可濕性的。例如，該細長立式陽極(40)可以包含tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料、w、mo、鋼及其組合的一種或多種。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括靠近該耐火材料頂蓋(17)的陰極連接器(50)。該陰極連接器(50)具有上連接桿(54)和下表面(52)。該上連接桿(54)配置為連接到外部電源。

該鋁電解槽(1)包括至少一個細長立式陰極(60)。該細長立式陰極(60)從該陰極連接器(50)的下表面(52)向下延伸。該細長立式陰極(60)具有近端(62)、自由遠端(64)和中間部分(66)。該細長立式陰極的近端(62)連接到該陰極連接器(40)的上表面(52)。該立式陰極的自由遠端(64)朝向該鋁電解槽的基座(7)向下延伸。在一些實施方案中，該細長立式陰極(60)是鋁可濕性的。例如，該細長立式陰極(60)可以包含tib2、zrb2、hfb2、srb2、碳質材料及其組合的一種或多種。

在圖1和2所示實施方案中，該細長立式陰極(60)與該細長立式陽極(40)重疊，以使該細長立式陰極(60)的遠端(64)靠近該細長立式陽極(40)的中間部分(46)。此外，在所示實施方案中，該細長立式陽極(40)的遠端(44)靠近該細長立式陰極(60)的中間部分(66)。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊配置為平衡該槽的電壓要求和/或該槽的能耗。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為0至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為1至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為5至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為10至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為20至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為25至50英寸。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為至少一些重疊至最高12英寸的重疊。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為至少2英寸的重疊至10英寸的重疊。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為至少3英寸的重疊至8英寸的重疊。在一些實施方案中，該陽極-陰極重疊(aco)為至少3英寸的重疊至6英寸的重疊。

一個或多個惰性間隔物(100)可以位于該細長立式陰極(60)與該細長立式陽極(40)之間以保持所需陽極至陰極距離(acd)。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至3英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至2英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至1英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至1/4英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/4英寸至1/2英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至3/4英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至1英寸。在一些實施方案中，該acd可以為1/8英寸至1/2英寸。

該耐火材料側壁(15)、耐火材料頂蓋(17)和底部(30)在該鋁電解槽(1)中限定了槽室(19)。在一些實施方案中，該槽室(19)含有：熔融金屬液層(250)、提純的熔融鋁的上層(400)和電解液(300)。該熔融金屬液層(250)與底部(30)接觸。該電解液(300)將上層(400)與熔融金屬液層(250)分離。該細長立式陽極(40)由該底部(30)向上延伸，穿過熔融金屬液層(250)并終止在電解液(300)中。該細長立式陰極(60)由陰極連接器(50)向下延伸并終止在電解液(300)中以使該細長立式陰極(60)與該細長立式陽極(40)在電解液(300)中重疊。由此，該細長立式陰極(60)與該細長立式陽極(40)通過電解液(300)分離。

如上所述，該電解液(300)將提純的鋁的上層(400)與熔融金屬液層(250)分開。在這方面，可以選擇該電解液(300)的組成以使該電解液(300)具有低于熔融金屬液層(250)的密度和高于提純的鋁的上層(400)的密度。在一些實施方案中，該電解液(300)尤其可以包含na、k、al、ba、ca、ce、la、cs、rb的氟化物和/或氯化物的至少一種，以及其組合。

該熔融金屬液層(250)可以包含至少一種合金，所述合金包含al、si、cu、fe、sb、gd、cd、sn、pb和雜質的一種或多種。

在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.6重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.7重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.8重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.9重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.95重量％至99.999重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.98重量％至99.999重量％的鋁。

在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.99重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.95重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.9重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.8重量％的鋁。在一些實施方案中，提純的熔融鋁具有99.5重量％至99.7重量％的鋁。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括多個細長立式陽極(40)。在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括多個細長立式陰極(60)。所述多個細長立式陽極(40)可以與所述多個細長立式陰極(60)交錯。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括穿過該槽室(19)由此提供到槽室下部的通路的槽入口通道(70)。該槽入口通道(70)可以具有入口孔(72)。鋁原料(200)可以經由該入口孔(72)添加到該鋁電解槽(1)中。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括穿過耐火材料側壁(15)的鋁提取孔(80)，由此提供到槽室(19)上部的通路。提純的鋁(400)可以經由該提取孔(80)從鋁電解槽(1)中提取。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括在該耐火材料頂蓋(17)內形成的惰性氣體入口。該惰性氣體入口配置為向該槽室(19)提供惰性氣氛(500)。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)包括外殼(5)。該外殼可以包含鋼或其它合適的材料。在一些實施方案中，該外殼(5)可以包括位于基座下方的殼底板(6)。在一些實施方案中，該外殼(5)可以包括與耐火材料側壁(15)隔開并圍繞該耐火材料側壁(15)的殼側壁(9)。

在一些實施方案中，該鋁電解槽(1)可以包括熱絕緣體(11)。該熱絕緣體可以位于殼底板(6)與基座(7)之間，以及殼側壁(9)與耐火材料側壁(15)之間。該熱絕緣體可以促進該鋁電解槽(1)的高電效率。

提純鋁的方法的一個實施方案包括向該細長立式陽極(40)供應電流。來自熔融金屬液層(250)的熔融材料(包含熔融鋁)可以沿該細長立式陽極(40)的豎直表面蠕升。在一些實施方案中，在槽(1)運行過程中，可以連續(xù)發(fā)生來自熔融金屬液層的熔融材料的向上蠕動。在一些實施方案中，該細長立式陽極可以覆蓋該細長立式陽極(40)的基本所有暴露表面。該細長立式陽極(40)表面上的熔融鋁可以經由該細長立式陽極(40)被陽極化，由此產生鋁離子。至少一部分鋁離子可以經由電解液轉移到該細長立式陰極(60)的表面上。至少一部分鋁離子可以經由該細長立式陰極(60)被還原，由此在該細長立式陰極(60)的表面上制造提純的鋁。不受特定機理或理論的束縛，一種可能的解釋是，由于提純的鋁在電解液(300)中的浮力，提純的鋁隨后沿細長立式陰極(60)的表面蠕升。由此，提純的鋁傾向于收集為電解液(300)上方的層(400)。例如，基于提純的鋁產品與電解液(例如電解液中的浴組分)熔融金屬液層(例如包括含有鋁金屬、雜質和/或致密化助劑(提高密度以使金屬液層配置為具有大于電解液的密度的添加劑)的原料)之間的密度差異，使得熔融金屬液層在電解液區(qū)域下方。

在一些實施方案中，以1至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以1至10kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以1至8kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以1至6kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以1至4kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。

在一些實施方案中，以5至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以10至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以12至15kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。

在一些實施方案中，以2至10kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以2至8kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。在一些實施方案中，以2至6kwh/kg提純的鋁的能量效率經由該電解槽(1)制造提純的鋁(400)。

在一些實施方案中，該方法可以包括經由槽入口孔(72)將鋁原料(200)添加到槽室(19)中。在一些實施方案中，該鋁原料(200)在槽(1)運行過程中可以基本連續(xù)地添加。在一些實施方案中，可以通過以第一進料速率計量添加鋁原料(200)加入該鋁原料(200)。在一些實施方案中，該鋁原料(200)可以周期性添加。

在一些實施方案中，該方法可以包括經由鋁提取孔(80)從槽(1)中移出至少一部分提純的鋁的上層(400)。在一些實施方案中，該鋁原料(200)在槽(1)運行過程中可以基本連續(xù)地移出。在一些實施方案中，例如可以至少部分基于第二移出速率來控制第一移出速率。在一些實施方案中，該鋁原料(200)可以在槽(1)運行過程中周期性移出。在一些實施方案中，用配置為移出提純的鋁產品而不污染該產品的設備(例如氧化鋁、石墨和/或tib2放液設備)完成該移出步驟。

在一些實施方案中，該方法可以包括經由惰性氣體入口(90)向槽室(19)提供惰性氣氛。在這方面，該槽室可以與環(huán)境氣氛隔離。惰性氣體的實例尤其包括氦、氬和氮。

在一些實施方案中，可以至少部分由于該通過步驟來制造殘渣(220)。該殘渣(220)可以具有高于熔融金屬液層(250)的密度。如上所述，該底部(30)的上表面(32)可以是傾斜的。在一些實施方案中，該斜坡可以由耐火材料側壁(15)向下至槽入口通道(70)。由此，殘渣(220)可以沿上表面(32)朝向槽入口通道(70)排出。在一些實施方案中，該殘渣可以經由槽入口通道(70)從槽室(19)中移出。在一些實施方案中，雜質可以傾向于收集在熔融金屬液層(250)中。由此，該槽入口通道(70)可以促進移出至少一部分熔融金屬液層(250)。

實施例

下列實施例意在說明本發(fā)明，不應解釋為以任何方式限制本發(fā)明。

實驗室規(guī)模電解提純槽

用于進行電解提純槽的實驗室規(guī)模試驗的槽的示意圖顯示在圖3和4中(非按比例繪制)。圖3是用于實驗室規(guī)模試驗的電解提純槽的側視圖(正視圖)。圖4是用于實驗室規(guī)模試驗的電解提純槽(未顯示陰極組件)的自上而下的示意圖(平面圖)。圖5是描述獲得的實驗數(shù)據(jù)的圖，顯示為通過icp確定的金屬中的fe(重量％)，對各個槽顯示。

使用圖3和4中顯示的槽配制進行采用不同電解液和陽極板配置的四次試驗。該槽放置在電爐(101)中以加熱和控制槽溫度。在該爐內部，該槽被包含在inconel干餾釜(102)中，石墨坩堝(103)放置在其中。該石墨坩堝提供向在槽底部的陽極鋁墊的電連接。氧化鋁內襯(104)放置在石墨干餾釜中以提供石墨干餾釜壁與電解液之間以及石墨干餾釜壁與陰極鋁之間的電絕緣。

與銅合金化(例如作為致密化助劑，以15-60％，目標為35重量％)的不純鋁(進料)加入該槽中作為陽極鋁。向不純的鋁中加入銅以提高熔體密度至大于電解液。在陽極鋁墊中安裝兩個豎直陽極(tib2板(105))，它們的末端豎直延伸到電解液中。

由石墨塊(106)構造陰極電連接。將豎直陰極(tib2板(108))固定到石墨陰極電連接并放置在兩塊陽極板之間。該陰極電連接通過圖3中未顯示的上部結構來固定。對于試驗1，該陰極板具有與各陽極板相同的尺寸。對于試驗2，該陽極板面積為雙倍，而陰極板面積與試驗1相同。通過寬度翻倍使陽極板面積翻倍，其中該寬度是圖4的自上而下視圖中在陽極板上的長尺寸。將兩次其它運行(試驗3和4)描述在表1中，所有四次試驗的結果顯示在圖5中。當純鋁在tib2板上制得并由于浮力向上流動時，石墨塊具有空腔以收集純鋁。該陽極鋁板(109)填充石墨坩堝的底部并在槽運行時降低。

試驗中使用的電解液是alf3、naf、kf和baf2鹽的混合物。電解液水平(107)保持接近石墨干餾釜的頂部。選擇電解液混合物組成，以使其具有介于陽極鋁與陰極鋁之間的密度(當熔融時)。試驗1的電解液組成包含baf2、alf3和kf。試驗2的電解液組成包含baf2、alf3和naf。其它可用電解液組成包括具有至少5％的baf2和至少5％的alf3的那些。

將含有陽極鋁合金和電解液混合物的槽通過該電爐加熱并保持在700至900℃的溫度下。一旦電解液混合物處在該溫度，在陽極與陰極之間提供0至150安培的直流電。

使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在每次試驗期間記錄槽電壓、電流和溫度。提純的鋁收集在陰極收集腔中。測量鋁中的鐵雜質以便從采自進料鋁和提純熔融鋁的樣品量化提純性能。使用電感耦合等離子體質譜(icp)測量來自熔融鋁的元素雜質濃度。

兩次試驗的結果顯示在下表1中。

表1.兩次電解提純槽試驗的結果的總結

雖然已經描述了本發(fā)明的大量實施方案，但應當理解，這些實施例僅僅是說明性的而非限制性的，并且對于本領域普通技術人員而言，許多修改可能變得顯而易見。此外，各種步驟可以以任何期望的順序進行(并且可以添加任何期望的步驟和/或可以消除任何期望的步驟)。