УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ Российский патент 2020 года по МПК C25C3/08 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка представляет собой непредварительную заявку на патент и испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США с порядковым номером 62/315,414, поданной 30 марта 2016 г., все содержание которой настоящим включено сюда по ссылке.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] В широком смысле настоящее раскрытие относится к вертикальным электродным узлам электролизеров, в которых как аноды, так и катоды выполнены в вертикальной, чередующейся параллельной конфигурации. Более конкретно, настоящее раскрытие относится к вертикальным электродным узлам электролизеров, включая узел/устройство катодной опоры, который(-ое) выполнен(-о) с возможностью удерживания катода(-ов) на подине электролизера в практически вертикальной конфигурации.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Промышленные электролизеры Холла имеют двумерную конфигурацию, в которой подина электролизера представляет собой углеродный блок (например, из графита), а аноды поднимаются/опускаются сверху, так что алюминий получают вдоль одной плоскости (например, заданной межэлектродным расстоянием, или зазором между самой нижней частью анодов и самой верхней частью катода).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В широком смысле настоящее раскрытие относится к вертикальным электродным узлам электролизеров, в которых как аноды, так и катоды выполнены в вертикальной, чередующейся параллельной конфигурации. Более конкретно, настоящее раскрытие относится к вертикальным электродным узлам электролизеров, включая узел/устройство катодной опоры, который(-ое) выполнен(-о) с возможностью удерживания катода(-ов) на подине электролизера в практически вертикальной конфигурации. Различные из указанных выше аспектов изобретения могут быть скомбинированы для получения электролизеров, катодных опор и способов производства алюминия в электролизере с вертикальной конфигурацией. Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки изобретения приведены отчасти в нижеследующем описании и станут очевидными специалистам в данной области техники при изучении нижеследующего описания и фигур или могут быть изучены при реализации изобретения на практике.

[0005] Раскрытый объект изобретения относится к электролизеру, имеющему: электролизную ванну, катодную опору, удерживаемую на подине электролизной ванны, при этом катодная опора контактирует с по меньшей мере одним из: слоя металла и ванны расплавленного электролита в электролизной ванне, при этом катодная опора включает в себя: тело, имеющее нижнюю часть опоры, которая выполнена с возможностью сообщаться с подиной электролизера, и верхнюю часть опоры, противоположную нижней части опоры и имеющую зону крепления катодов, выполненную с возможностью удерживания в ней по меньшей мере одной катодной плиты.

[0006] В другом варианте осуществления зона крепления катодов в катодной опоре содержит поверхностные канавки на верхней поверхности катодной опоры, причем эти канавки выполнены с глубиной, достаточной для удерживания одной из упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты.

[0007] В еще одном варианте осуществления зона крепления катодов в катодной опоре содержит: первое множество балок, содержащих одну или более канавок, образованных в поверхности первого множества балок, при этом упомянутые одна или более канавок выполнены с возможностью удерживания упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты, и второе множество балок, соединяющих первое множество балок.

[0008] В еще одном варианте осуществления упомянутая по меньшей мере одна катодная плита в зоне крепления катодов выполнена такой, что кромки первой катодной плиты касаются кромок катодных плит, которые противоположны первой катодной плите с обеих сторон.

[0009] В еще одном варианте осуществления катодная опора содержит множество штырей, при этом каждый штырь имеет нижнюю часть штыря и верхнюю часть штыря.

[0010] В еще одном варианте осуществления нижняя часть каждого штыря удерживается соответствующим отверстием в катодной опоре.

[0011] В еще одном варианте осуществления множество штырей выполнены в разнесенном положении для поддержания одной из упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты в вертикальной конфигурации.

[0012] В еще одном варианте осуществления множество штырей включает первую группу штырей и вторую группу штырей.

[0013] В еще одном варианте осуществления нижние части штырей из первой группы штырей расположены в виде линейного ряда на катодной опоре, и нижние части штырей из второй группы штырей расположены в виде линейного ряда на катодной опоре.

[0014] В еще одном варианте осуществления линейный ряд нижних частей штырей из первой группы штырей параллелен линейному ряду нижних частей штырей из второй группы штырей.

[0015] В еще одном варианте осуществления верхние части штырей выполнены с возможностью поддержания неплоской катодной плиты в вертикальной конфигурации.

[0016] В еще одном варианте осуществления каждая из первой группы штырей и второй группы штырей содержит первый штырь, имеющий верхнюю часть с первой формой, и второй штырь, имеющий верхнюю часть со второй формой.

[0017] В еще одном варианте осуществления первая форма отличается от второй формы.

[0018] В еще одном варианте осуществления верхняя часть первого штыря имеет первый диаметр, а верхняя часть второго штыря имеет второй диаметр.

[0019] В еще одном варианте осуществления первый диаметр отличается от второго диаметра.

[0020] В еще одном варианте осуществления первый штырь и второй штырь имеют нижние части с первым диаметром, и при этом первый штырь и второй штырь имеют верхние части со вторым диаметром.

[0021] В еще одном варианте осуществления первый диаметр отличается от второго диаметра.

[0022] В еще одном варианте осуществления верхние части штырей имеют не обладающую боковой симметрией форму.

[0023] В еще одном варианте осуществления штыри состоят из диборида титана.

[0024] В еще одном варианте осуществления верхняя часть по меньшей мере одного из множества штырей имеет изменяющийся радиус.

[0025] В еще одном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один штырь, имеющий изменяющийся радиус, поворачивается до тех пор, пока не будет достигнут заданный зазор между упомянутым по меньшей мере одним штырем и катодной плитой.

[0026] В еще одном варианте осуществления нижняя часть штыря заделана в катодную опору, а верхняя часть штыря содержит два зубца, при этом одна из упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты расположена между упомянутыми двумя зубцами.

[0027] В еще одном варианте осуществления катодная плита состоит из множественных катодных плит.

[0028] В еще одном варианте осуществления по меньшей мере две из катодных плит механически взаимно зацепляются вместе.

[0029] В еще одном варианте осуществления каждая катодная плита содержит боковые кромки, выполненные с возможностью механического взаимного зацепления с соседними катодными плитами.

[0030] В еще одном варианте осуществления боковые кромки первой катодной плиты являются вогнутыми и выполнены с возможностью взаимного зацепления с выпуклыми боковыми кромками соседних катодных плит.

[0031] В еще одном варианте осуществления кромки катодных плит имеют отверстия для размещения штырей, которые механически сцепляют катодные плиты вместе.

[0032] В еще одном варианте осуществления катодная плита, поддерживаемая на противоположных кромках взаимно зацепляющимися катодными плитами, содержит трещину.

[0033] В еще одном варианте осуществления катодная плита поддерживается соседними катодными плитами и не прикреплена к катодной опоре.

[0034] В еще одном варианте осуществления между катодной опорой и катодной плитой образован проточный канал.

[0035] В другом варианте осуществления способ получения металлического алюминия электрохимическим восстановлением глинозема включает: (а) пропускание тока между анодом и катодом через ванну электролита электролизера, причем электролизер содержит: (i) электролизную ванну, (ii) катодную опору, удерживаемую на подине электролизной ванны, при этом катодная опора контактирует с по меньшей мере одним из: слоя металла и ванны расплавленного электролита в электролизной ванне, при этом катодная опора включает в себя: тело, имеющее нижнюю часть опоры, которая выполнена с возможностью сообщаться с подиной электролизера, и верхнюю часть опоры, противоположную нижней части опоры и имеющую зону крепления катодов, выполненную с возможностью удерживания в ней по меньшей мере одной катодной плиты, и (b) подачу питающего материала (сырья) в электролизер.

[0036] В еще одном варианте осуществления питающий материал электролитически восстанавливают до металлического продукта.

[0037] В еще одном варианте осуществления металлический продукт стекает с катодов на подину электролизера с образованием слоя металла.

[0038] Раскрытый объект изобретения относится к электролизеру, содержащему: электролизную ванну; катодную опору, удерживаемую на подине электролизной ванны; катодную плиту, удерживаемую на катодной опоре, при этом катодная плита имеет кромку, которая выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с соседними катодными плитами.

[0039] В другом варианте осуществления катодная плита имеет верхнюю кромку, противоположную ей нижнюю кромку, первую боковую кромку и вторую боковую кромку, при этом первая боковая кромка выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с боковой кромкой первой соседней катодной плиты, и при этом вторая боковая кромка выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с боковой кромкой второй соседней катодной плиты.

[0040] В еще одном варианте осуществления первая боковая кромка и вторая боковая кромка представляют собой скошенные кромки, которые механически взаимно зацепляются с соответствующей скошенной боковой кромкой первой соседней катодной плиты и соответствующей скошенной боковой кромкой второй соседней катодной плиты.

[0041] В еще одном варианте осуществления катодная плита поддерживается выше катодной опоры первой соседней катодной плитой и второй соседней катодной плитой.

[0042] В еще одном варианте осуществления первая боковая кромка и вторая боковая кромка катодной плиты имеют выпуклую форму, и соответствующая боковая кромка первой соседней катодной плиты и соответствующая скошенная боковая кромка второй соседней катодной плиты имеют вогнутую форму.

[0043] В еще одном варианте осуществления катодная плита образована из массива катодных плиток, при этом каждая катодная плитка сцеплена с соседними катодными плитками.

[0044] В еще одном варианте осуществления каждая катодная плитка имеет шестигранную форму.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0045] Фиг.1 представляет собой частично схематический вид в разрезе электролизера в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0046] Фиг.2 – сечение зоны крепления катодов в катодной опоре в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0047] Фиг.3 – вид сверху катодной опоры, показанной на фиг.2, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0048] Фиг.4 – вид сверху штырей, поддерживающих катод в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0049] Фиг.5 – вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.4.

[0050] Фиг.6 – вид в перспективе штыря в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0051] Фиг.7 – вид сверху штырей, поддерживающих катод в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0052] Фиг.8 – вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.7.

[0053] Фиг.9 – вид сбоку варианта осуществления, показанного на фиг.7 и 8.

[0054] Фиг.10 – вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.7, 8 и 9.

[0055] Фиг.11 – вид в разрезе штырей, поддерживающих катоды, заделанные в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0056] Фиг.12 – вид сверху катодного блока, показанного на фиг.8.

[0057] Фиг.13 – вид сверху штырей, поддерживающих катод в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0058] Фиг.14 – вид в разрезе по линии А-А варианта осуществления, показанного на фиг.13.

[0059] Фиг.15 – вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.13.

[0060] Фиг.16 – вид сверху штырей, поддерживающих катод в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0061] Фиг.17 – вид в разрезе по линии А-А варианта осуществления, показанного на фиг.16.

[0062] Фиг.18 – вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.16.

[0063] Фиг.19-24 показывают примеры форм штырей в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0064] Фиг.25 – вид сверху штырей, поддерживающих катод в катодном блоке, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0065] Фиг.26 – вид в перспективе одного из штырей, показанных на фиг.25.

[0066] Фиг.27 – вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.25.

[0067] Фиг.28 – вид сбоку варианта осуществления, показанного на фиг.25 и 27.

[0068] Фиг.29 – вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.25, 27 и 28.

[0069] Фиг.30 и 31 показывают вид спереди и вид в перспективе штыря, который может быть использован в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0070] Фиг.32-35 показывают различные виды другого штыря, который может быть использован в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0071] Фиг.36-41 показывают различные виды еще одного штыря, который может быть использован в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0072] Фиг.42 показывает катодную опору в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0073] Фиг.43 – частичный вид спереди в разрезе катода, входящего в катодную опору по фиг.42.

[0074] Фиг.44 показывает вид в перспективе снизу катода, показанного на фиг.43.

[0075] Фиг.45 – вид спереди трех взаимно зацепленных катодных плит в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0076] Фиг.46 – вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.45.

[0077] Фиг.47 – увеличенный вид зоны А по фиг.46.

[0078] Фиг.48 показывает катод, образованный из массива катодных плиток, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0079] Фиг.49 показывает другой вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0080] Фиг.50 показывает еще один вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток, поддерживаемых штырями, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0081] Фиг.51 показывает еще один вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток, поддерживаемых канавками, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[0082] Несмотря на то, что различные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны подробно, очевидно, что специалистам в данной области техники придут на ум модификации и адаптации данных вариантов осуществления. Тем не менее, следует четко понимать, что такие модификации и адаптации находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0083] В используемом здесь смысле «электролиз» означает любой процесс, который вызывает химическую реакцию за счет пропускания электрического тока через материал. В некоторых вариантах осуществления происходит электролиз, при котором частицы металла восстанавливаются в электролизере с получением металлического продукта. Некоторые неограничивающие примеры электролиза включают получение первичного металла. Некоторые неограничивающие примеры первичных металлов включают: алюминий, никель и т.д.

[0084] В используемом здесь смысле «электролизер» означает устройство для проведения электролиза. В некоторых вариантах осуществления электролизер включает в себя электролизную ванну, или линию электролизных ванн (например, множество электролизных ванн). В одном неограничивающем примере электролизер снабжен электродами, которые служат в качестве проводника, через который ток входит в неметаллическую среду (например, ванну электролита) или выходит из нее.

[0085] В используемом здесь смысле «электрод» означает положительно заряженный электрод (например, анод) или отрицательно заряженный электрод (например, катод).

[0086] В используемом здесь смысле «анод» означает положительный электрод (или вывод), по которому ток входит в электролизер. В некоторых вариантах осуществления аноды выполнены из электропроводящих материалов. В некоторых вариантах осуществления аноды содержат углеродные аноды. В некоторых вариантах осуществления аноды содержат инертные аноды. В используемом здесь смысле «анодный узел» включает в себя один или более анод(ов), соединенный(ых) с держателем. В некоторых вариантах осуществления анодный узел включает в себя: аноды, держатель (например, огнеупорный блок и другие стойкие к воздействию ванны электролита материалы) и электрическую шину.

[0087] В используемом здесь смысле «опора» означает элемент, который удерживает другой(ие) объект(ы) на месте. В одном варианте осуществления опора выполнена из материала, который является стойким к воздействию коррозионно-активной ванны электролита.

[0088] В используемом здесь смысле «катод» означает отрицательный электрод или вывод, по которому ток выходит из электролизера. В некоторых вариантах осуществления катоды выполнены из электропроводящего материала. Некоторые неограничивающие примеры материала катодов включают: углерод, металлокерамику, керамический(е) материал(ы), металлический(е) материал(ы) и их сочетания. В одном варианте осуществления катод выполнен из борида переходного металла, например, TiB₂. В некоторых вариантах осуществления катод электрически подключен через подину электролизера (например, посредством токоотводящего стержня и электрической шины). В некоторых вариантах осуществления катод содержит тело с двумя противоположными, в целом плоскими поверхностями и периферийной кромкой (например, плоской или скругленной), окружающей две плоские поверхности. В некоторых вариантах осуществления катоды содержат плиты.

[0089] В используемом здесь смысле «катодный узел» относится к катоду (например, катодному блоку), токоотводящему стержню, электрической шине и их сочетаниям.

[0090] В используемом здесь смысле «токоотводящий стержень» относится к стержню, который осуществляет токоотвод из электролизера. В одном неограничивающем примере токоотводящий стержень отводит ток от катода и переносит ток к электрической шине для отвода тока из системы.

[0091] В используемом здесь смысле «ванна электролита» относится к жидкой ванне с по меньшей мере одним видом металла, подлежащего восстановлению (например, посредством процесса электролиза). Неограничивающий пример состава ванны электролита включает: NaF, AlF₃, CaF₂, MgF₂, LiF, KF и их сочетания - с растворенным глиноземом.

[0092] В используемом здесь смысле «расплавленный» означает находящейся в текучем виде (например, жидком) за счет подвода тепла. В качестве неограничивающего примера ванна электролита находится в расплавленном виде (например, при температуре по меньшей мере примерно 750°С). В качестве другого неограничивающего примера ванна электролита находится в расплавленном виде (например, при температуре не более примерно 1000°С). В качестве еще одного примера металлический продукт (например, алюминий), который образуется на подине электролизера (например, называемый иногда «слоем металла»), находится в расплавленном виде.

[0093] В используемом здесь смысле «металлический продукт» означает продукт, который получают электролизом. В одном варианте осуществления металлический продукт образуется на подине электролизера в виде слоя металла. Некоторые неограничивающие примеры металлических продуктов включают: редкоземельные металлы и цветные металлы (например, алюминий, никель, магний, медь и цинк). В некоторых вариантах осуществления металлический продукт включает в себя примеси (например, Fe, Si, Ni, Mn и другие в металлическом продукте – Al).

[0094] В используемом здесь смысле «борт» означает стенку электролизера. В некоторых вариантах осуществления борт проходит по периметру вокруг подины электролизера и простирается вверх от подины электролизера с образованием корпуса электролизера и ограничением того объема, где удерживается ванна электролита. В некоторых вариантах осуществления борт включает в себя: наружный кожух, теплоизоляционную футеровку и внутреннюю стенку. В некоторых вариантах осуществления внутренняя стенка и подина электролизера выполнены с возможностью контакта с ванной расплавленного электролита и металлическим продуктом (например, слоем металла) и удерживания их.

[0095] В используемом здесь смысле «наружный кожух» означает самую внешнюю защитную закрывающую часть борта. В одном варианте осуществления наружный кожух представляет собой защитное покров внутренней стенки электролизера. В качестве неограничивающих примеров наружный кожух выполнен из твердого материала, который окружает электролизер (например, из стали).

[0096] В используемом здесь смысле «анодный узел» означает узел для удерживания по меньшей мере одного анода. В некоторых вариантах осуществления анодный узел включает в себя: анододержатель и множество анодов.

[0097] В используемом здесь смысле «катодный узел» означает узел для удерживания по меньшей мере одного катода. В некоторых вариантах осуществления катодный узел включает в себя: катодную опору и множество катодов.

[0098] В используемом здесь смысле «ток» означает постоянный электрический ток.

[0099] В некоторых вариантах осуществления «сопротивление электролизера» означает электрическое сопротивление электролизера.

[00100] В некоторых вариантах осуществления «сигнал» означает электрический импульс, характеризующий измеренное значение.

[00101] В некоторых вариантах осуществления «сигнал сопротивления электролизера» означает электрический импульс, характеризующий электрическое сопротивление в электролизере.

[00102] В используемом здесь смысле «получение» (например, производство) означает: в некоторых вариантах осуществления один или более способов по настоящему раскрытию включают этап получения металлического продукта (например, металлического алюминия) из ванны расплавленного электролита.

[00103] Фиг.1 показывает схематический разрез электролизера 100 для получения металлического алюминия электрохимическим восстановлением глинозема при использовании анода и катода. В некоторых вариантах осуществления анод представляет собой инертный анод. Некоторые неограничивающие примеры составов инертных анодов включают: керамический, металлический, металлокерамический материал и/или их сочетания. Некоторые неограничивающие примеры составов инертных анодов приведены в патентах США №№ 4374050, 4374761, 4399008, 4455211, 4582585, 4584172, 4620905, 5279715, 5794112 и 5865980, принадлежащих правообладателю настоящей заявки. В некоторых вариантах осуществления анод является выделяющим кислород электродом. Выделяющим кислород электродом является электрод, на котором образуется кислород во время электролиза. В некоторых вариантах осуществления катод является смачиваемым катодом. В некоторых вариантах осуществления смачиваемые алюминием материалы представляют собой материалы, имеющие краевой угол контакта с расплавленным алюминием не более 90 градусов в расплавленном электролите. Некоторые неограничивающие примеры смачиваемых материалов могут содержать один или более из TiB₂, ZrB₂, HfB₂, SrB₂, углеродистых материалов и их сочетаний.

[00104] Электролизер 100 имеет по меньшей мере один анодный модуль 102. В некоторых вариантах осуществления анодный модуль 102 имеет по меньшей мере один анод 104. Электролизер 100 дополнительно содержит по меньшей мере один катодный модуль 106. В некоторых вариантах осуществления катодный модуль 106 имеет по меньшей мере один катод 108. В некоторых вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один анодный модуль 102 подвешен над упомянутым по меньшей мере одним катодным модулем 106. Катод 108 расположен в электролизной ванне 110. Катоды 108 проходят вверх к анодному модулю 102. Хотя в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия показано конкретное число анодов 104 и катодов 108, любое число анодов 104 и катодов 108, большее или равное 1, может быть использовано для образования соответственно анодного модуля 102 или катодного модуля 106. Электролизная ванна 110, как правило, имеет стальной кожух 118 и футерована изоляционным материалом 120, огнеупорным материалом 122 и бортовым материалом 124. Электролизная ванна 110 способна удерживать ванну расплавленного электролита (показанную схематически пунктирной линией 126) и слой расплавленного металлического алюминия в ней. Части анодной шины 128, которая подает электрический ток к анодным модулям 102, показаны поджатыми к анодным штангам 130 анодных модулей 102 до электрического контакта с ними. Анодные штанги 130 конструктивно и электрически соединены с анодной распределительной плитой 132, к которой прикреплен теплоизоляционный слой 134. Аноды 104 проходят через теплоизоляционный слой 134 и механически и электрически контактируют с анодной распределительной плитой 132. Анодная шина 128 обеспечивает проведение постоянного электрического тока от соответствующего источника 136 питания через анодные штанги 130, анодную распределительную плиту 132, анодные элементы и электролит 126 к катодам 108 и от них через катодную опору 112, катодные блоки 114 и катодные токоотводящие стержни 116 к другому полюсу источника 136 электропитания. Аноды 104 каждого анодного модуля 102 находятся в неразрывном электрическом контакте. Аналогичным образом, катоды 108 каждого катодного модуля 102 находятся в неразрывном электрическом контакте. Анодные модули 102 могут быть подняты и опущены позиционирующим устройством для регулирования их положения относительно катодных модулей 106 с целью регулировки перекрытия анодов и катодов (АСО).

[00105] В некоторых вариантах осуществления катоды 108 поддерживаются в катодной опоре 112. В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 удерживается на подине электролизной ванны 110. В некоторых вариантах осуществления катодные опоры 112 неподвижно присоединены к подине электролизера 110. В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 контактирует с по меньшей мере одним из слоя металла и ванны 126 расплавленного электролита в электролизной ванне 110. В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 опирается на катодные блоки 114, выполненные, например, из углеродистого материала, находящегося в неразрывном электрическом контакте с одним или более катодными токоотводящими стержнями 116. В некоторых вариантах осуществления катодные блоки 114 неподвижно соединены с подиной электролизера 100. В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 выполнена заодно с катодными блоками 114, при этом катодный блок 114 составляет часть катодной опоры 112. В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 присоединена к катодным блокам 114.

[00106] В некоторых вариантах осуществления катодная опора 112 содержит тело, имеющее нижнюю часть опоры. В некоторых вариантах осуществления нижняя часть опоры выполнена с возможностью сообщаться с подиной электролизера. Тело катодной опоры 112 дополнительно содержит верхнюю часть опоры, противоположную нижней части опоры и имеющую зону крепления катодов, выполненную с возможностью удерживания в ней множества катодных плит.

[00107] Фиг.2 показывает сечение зоны крепления катодов в катодной опоре в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия. Фиг.3 показывает вид сверху показанной на фиг.2 катодной опоры в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия. В некоторых вариантах осуществления, показанных на фиг.2 и фиг.3, катодный блок 200 содержит тело 202, имеющее нижнюю часть 204 опоры, выполненную с возможностью сообщаться с подиной электролизера, и верхнюю часть 206 опоры, противоположную нижней части 204 опоры. Верхняя часть 206 опоры содержит зону 208 крепления катодов. Зона 208 крепления катодов содержит по меньшей мере одну поверхностную канавку 210, образованную в верхней поверхности 212 катодного блока 200. Каждая канавка 210 выполнена с глубиной, достаточной для удерживания катодной плиты (не показанной на фиг.2 и 3). В некоторых вариантах осуществления глубина канавки 210, измеренная от верхней поверхности 212 до дна 214 канавки 210, составляет от примерно 1 дюйма до примерно 8 дюймов, или от примерно 2 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 3 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 4 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 5 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 6 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 7 дюймов до примерно 8 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 7 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 6 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 5 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 4 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 3 дюймов, или от примерно 1 дюйма до примерно 2 дюймов. В некоторых вариантах осуществления длина и ширина канавки 210 зависят от длины и толщины катодной плиты, которая будет удерживаться в канавке 210. В некоторых вариантах осуществления длина и ширина канавки 210 согласуются с соответствующим размером катода. В некоторых вариантах осуществления катодная плита имеет толщину от примерно 1/8 дюйма до примерно 1 дюйма или от примерно 1/4 дюйма до примерно 1 дюйма, или от примерно 1/2 дюйма до примерно 1 дюйма, или от примерно 1/8 дюйма до примерно 1/2 дюйма, или от примерно 1/8 дюйма до примерно 1/4 дюйма.

[00108] В некоторых вариантах осуществления катодная опора содержит множество штырей. Фиг.4 показывает вид сверху множества штырей 402, поддерживающих катодную плиту 404 в катодном блоке 400, согласно одному варианту осуществления. В некоторых вариантах осуществления катодная плита 404 является плоской и поддерживается в вертикальной конфигурации. В некоторых вариантах осуществления катодная плита 404 является неплоской и поддерживается в вертикальной конфигурации. Фиг.5 представляет собой вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.4. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.6, штырь 402 содержит тело 602, верхнюю часть 604 штыря и нижнюю часть 606 штыря. В некоторых вариантах осуществления тело 602 состоит из диборида титана (TiB₂). В некоторых вариантах осуществления тело 602 состоит из того же материала, что и катодные плиты.

[00109] В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.7-10, нижняя часть 606 каждого штыря удерживается либо подиной электролизера, либо катодным блоком. Фиг.7 представляет собой вид сверху штырей 402, поддерживающих катодную плиту 404 в катодном блоке 400, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия. Фиг.8 представляет собой вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.7. Фиг.9 представляет собой вид сбоку варианта осуществления, показанного на фиг.7 и 8. Фиг.10 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.7, 8 и 9. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.7-10, верхние части 604 штырей выполнены в разнесенном друг от друга положении с возможностью поддержки катодной плиты 404. В некоторых вариантах осуществления нижние части 606 штырей заделаны в соответствующие отверстия в катодной опоре.

[00110] В некоторых вариантах осуществления штыри 402 размещены в отверстиях, которые просверлены прямо в катодном блоке 400. В некоторых вариантах осуществления диаметр этих отверстий практически равен диаметру или всего штыря 402, или нижней части 606 штыря. В некоторых вариантах осуществления диаметр отверстия, в котором удерживается нижняя часть 606 штыря, больше диаметра нижней части 606 штыря. В некоторых вариантах осуществления при нагреве штыря 402 во время работы электролизера расширение штыря 402 превышает расширение отверстия, что приводит к тугой посадке штыря 402 в соответствующем отверстии.

[00111] В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.4-5 и фиг.7-10, множество штырей 402 включает в себя первую группу 406 штырей и вторую группу 408 штырей. В некоторых вариантах осуществления одна из первой группы 406 штырей или второй группы 408 штырей – это два или более штыря 402, а другая – это один или более штырей 402. В некоторых вариантах осуществления сочетание первой группы 406 штырей и второй группы 408 штырей – это три или более штыря 402. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.4-5 и фиг.7-10, первая группа 406 штырей – это два штыря 402, и вторая группа 408 штырей – это два штыря 402.

[00112] В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.4-5 и фиг.7-10, нижние части штырей из первой группы 406 штырей расположены в виде линейного ряда на катодном блоке 400 (например, катодной опоре). В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.4-5 и фиг.7-10, нижние части штырей из второй группы 408 штырей расположены в виде линейного ряда на катодном блоке 400. В некоторых вариантах осуществления линейный ряд нижних частей штырей из первой группы 406 штырей параллелен линейному ряду нижних частей штырей из второй группы 408 штырей. В некоторых вариантах осуществления, показанных на фиг.4 и 5, первая группа 406 штырей и вторая группа 408 штырей расположены с противоположных сторон катодного блока 400 по существу в одном и том же положении катодного блока 400. В некоторых вариантах осуществления, показанных на фиг.7-10, первая группа 406 штырей и вторая группа 408 штырей расположены с противоположных сторон катодного блока 400 в смещенных друг относительно друга положениях.

[00113] В некоторых вариантах осуществления катодная плита может поддерживаться множеством штырей, как рассмотрено выше в отношении фиг.4-5 и фиг.7-10, и может быть заделана в канавки, образованные в катодном блоке, как рассмотрено в отношении фиг.2-3. Фиг.11 представляет собой вид в разрезе множества штырей 402, поддерживающих катодные плиты 404, которые заделаны в катодном блоке 400. Катодный блок 400 содержит зону 208 крепления катодов. Зона 208 крепления катодов содержит поверхностные канавки 210, образованные в верхней поверхности 212 катодного блока 400. Часть катодной плиты 404 удерживается в поверхностных канавках 210. Фиг.12 представляет собой вид сверху катодного блока, показанного на фиг.11. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.12, некоторые катодные плиты 404 поддерживаются первой группой 406 штырей и второй группой 408 штырей, расположенными с противоположных сторон катодной плиты 404 по существу в одном и том же положении на катодном блоке 400, в то время как другие катодные плиты 404 поддерживаются первой группой 406 штырей и второй группой 408 штырей, расположенными с противоположных сторон катодной плиты 404 в смещенных друг относительно друга положениях.

[00114] В некоторых вариантах осуществления катодная плита является неплоской. Фиг.13 и фиг.16 показывают вид сверху множества штырей 402, поддерживающих неплоскую катодную плиту 404 в катодном блоке 400, согласно еще одному варианту осуществления настоящего раскрытия. Фиг.13 показывает вариант осуществления, в котором используются всего четыре штыря для поддержки катодной плиты 404: два штыря с одной стороны катодной плиты 404 и два штыря с противоположной стороны катодной плиты 404. Фиг.16 показывает вариант осуществления, в котором используются всего три штыря для поддержки катодной плиты: два штыря с одной стороны катодной плиты 404 и один штырь с противоположной стороны катодной плиты 404. Фиг.14 представляет собой вид в разрезе по линии А-А варианта осуществления, показанного на фиг.13. Фиг.15 представляет собой вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.13. Фиг.17 представляет собой вид в разрезе по линии А-А варианта осуществления, показанного на фиг.16. Фиг.18 представляет собой вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.16.

[00115] В некоторых вариантах осуществления верхние части штырей выполнены с возможностью поддержки неплоской катодной плиты в вертикальной конфигурации. В некоторых вариантах осуществления каждая из первой группы штырей и второй группы штырей содержит первый штырь, имеющий верхнюю часть штыря с первой формой, и второй штырь, имеющий верхнюю часть штыря со второй формой, при этом первая форма отличается от второй формы. В некоторых вариантах осуществления верхняя часть первого штыря имеет первый диаметр, а верхняя часть второго штыря имеет второй диаметр. В некоторых вариантах осуществления первый диаметр отличается от второго диаметра. В некоторых вариантах осуществления верхние части 604 штырей имеют не обладающую боковой симметрией форму. В некоторых вариантах осуществления верхняя часть 604 по меньшей мере одного из множества штырей имеет изменяющийся радиус.

[00116] Фиг.19-24 показывают примеры форм штырей, которые могут быть использованы в определенных вариантах осуществления, например, в вариантах осуществления, в которых катодная плита неплоская. Форма штыря зависит от кривизны неплоской катодной плиты в том положении на катодном блоке, где должен быть заделан этот штырь. Например, фиг.19-20 показывают иллюстративный штырь 402, имеющий нижнюю часть 606 штыря с первым диаметром и верхнюю часть 604 штыря со вторым диаметром, который меньше первого диаметра. В некоторых вариантах осуществления второй диаметр примерно на 0,02 дюйма меньше первого диаметра или в некоторых вариантах осуществления на 0,01 дюйма меньше первого диаметра. Фиг.21 показывает иллюстративный штырь 402, имеющий нижнюю часть 606 штыря с первым диаметром и верхнюю часть 604 штыря со вторым диаметром, который такой же или по существу такой же, как и первый диаметр. Фиг.22-23 показывают иллюстративный штырь 402, имеющий нижнюю часть 606 штыря с первым диаметром и верхнюю часть 604 штыря со вторым диаметром, который больше первого диаметра. В некоторых вариантах осуществления второй диаметр примерно на 0,02 дюйма больше первого диаметра или в некоторых вариантах осуществления на 0,01 дюйма больше первого диаметра. Фиг.24 показывает иллюстративный штырь 402, имеющий нижнюю часть 606 штыря и верхнюю часть 604 штыря, при этом осевая линия 2402 нижней части 606 штыря смещена от осевой линии 2404 верхней части 604 штыря. В некоторых вариантах осуществления иллюстративный штырь 402 по фиг.24 имеет изменяющийся радиус. В некоторых вариантах осуществления иллюстративный штырь 402 по фиг.24 поворачивается в образованном в катодном блоке отверстии до тех пор, пока не будет достигнут заданный зазор между штырем и катодной плитой. В некоторых вариантах осуществления нижняя часть 606 и верхняя часть 604 показанных на фиг.19-24 штырей 402 выполнены заодно.

[00117] В некоторых вариантах осуществления нижняя часть 606 штыря заделана в катодный блок 400, а верхняя часть 604 штыря содержит два зубца, при этом катодная плита размещена между упомянутыми двумя зубцами.

[00118] Фиг.25 представляет собой вид сверху штырей 402, содержащих два зубца, поддерживающих катодную плиту 404 в катодном блоке 400, согласно еще одному варианту осуществления. Каждый штырь 402 имеет два зубца в верхней части 604 штыря, и катодная плита 404 покоится между данными двумя зубцами. Фиг.26 представляет собой вид в перспективе одного из штырей 402, показанных на фиг.25. Штырь 402 на фиг.26 содержит два зубца 2602 (т.е. проходящие вертикально противоположные части) в верхней части 604 штыря, ограничивающие между собой пространство 2604 для удерживания катодной плиты. Фиг.27 представляет собой вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.25. Фиг.27 показывает катодную плиту 404, приподнятую над катодным блоком 400 посредством штырей 402, с образованием сквозного прохода 2702 под катодной плитой 404 и между штырями 402. Сквозной проход 2702 обеспечивает проточный канал для по меньшей мере одного из металлического продукта и ванны электролита. Фиг.28 представляет собой вид сбоку варианта осуществления, показанного на фиг.25 и 27. Фиг.29 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.25, 27 и 28.

[00119] Фиг.30-31 и фиг.32-35 показывают разные виды штыря с двумя зубцами, который может быть использован в некоторых вариантах осуществления. Штырь 402, показанный на фиг.30 и фиг.31, содержит нижнюю часть 606 штыря, которая вставляется в отверстие, образованное в катодном блоке, и верхнюю часть 604 штыря с двумя зубцами 2602 (т.е. проходящими вертикально противоположными частями) в верхней части 604 штыря, ограничивающими между собой пространство 2604 для удерживания катодной плиты.

[00120] Фиг.36-41 показывают разные виды штыря с двумя зубцами, который может быть использован в некоторых вариантах осуществления. Фиг.36-40 показывают штырь 402, имеющий нижнюю часть 606 штыря, которая вставляется в отверстие, образованное в катодном блоке, и верхнюю часть 604 штыря. Фиг.41 показывает верхнюю часть 604 штыря, имеющую круглое тело с двумя зубцами 2602 на первом конце (т.е. проходящими вертикально противоположными частями), ограничивающими между собой пространство 2604 для удерживания катодной плиты, и двумя зубцами 4102 на противоположном втором конце, ограничивающими между собой пространство 4104 для сопряжения с пазом в штыре 402.

[00121] В некоторых вариантах осуществления катодная опора содержит серию балок, прикрепленных к катодному блоку. Фиг.42 показывает катодный блок 400, содержащий серию балок, прикрепленных к катодному блоку 400, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего раскрытия. Серия балок включает поперечные балки 4202 и соединительные балки 4204. В некоторых вариантах осуществления поперечные балки 4202 и соединительные балки 4204 изготовлены из диборида титана. В некоторых вариантах осуществления части катодных плит 404 имеют клинообразную форму для вставки в канавки в поперечных балках 4202. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.42, катодные плиты 404 выполнены в разнесенном друг от друга положении/конфигурации с обращенными друг к другу торцами. В некоторых вариантах осуществления катодные плиты 404 могут быть позиционированы так, что торец/кромка одной катодной плиты касается торца/кромки катодных плит, которые расположены напротив нее с обеих сторон. Фиг.43 представляет собой частичный вид спереди в разрезе катодной плиты 404, имеющей клинообразную часть 4302 на нижнем конце катодной плиты, входящую в канавку 4304 в поперечной балке 4202 по фиг.42. Клинообразная часть имеет угол скоса от примерно 2 до примерно 10 градусов относительно осевой линии 4306. Фиг.44 показывает вид в перспективе снизу катодной плиты с клинообразной частью, показанной на фиг.43.

[00122] Фиг.49 показывает еще один вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток. Каждая плитка сцеплена с соседними плитками. В некоторых вариантах осуществления две или более плитки прикреплены к катодному блоку. Плитки над осадком могут быть использованы повторно, поскольку они не будут застревать («залипать») в осадке при охлаждении электролизера.

[00123] В некоторых вариантах осуществления катодная плита состоит из множественных катодных плит. Фиг.45 представляет собой вид спереди трех взаимозацепленных катодных плит 404. В некоторых вариантах осуществления катодная плита состоит из массива катодных плиток. Фиг.48 и фиг.49 показывают катод, образованный из массива катодных плиток 4802. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере две из катодных плит 404 или катодных плиток 4802 механически взаимно сцеплены вместе.

[00124] В некоторых вариантах осуществления катодная плита 404 или катодная плитка 4802 имеет кромку, которая выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с соседней катодной плитой или катодной плиткой. В некоторых вариантах осуществления кромки соседних катодных плит 404 или катодных плиток 4802 представляют собой скошенные кромки (например, срезаны с наклоном, который образует угол наклона, отличный от прямого угла), или волнистые кромки (например, кромки, имеющие ряд криволинейных выступов), которые выполнены с возможностью взаимного зацепления. Может быть использована любая форма кромок, которая позволяет кромкам катодных плит или катодных плиток механически зацепляться/сцепляться друг с другом. В некоторых вариантах осуществления кромки катодных плит 404 или катодных плиток 4802 имеют отверстия для приема штырей, которые механически сцепляют катодные плиты вместе.

[00125] Фиг.46 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг.45. Средняя катодная плита 404 поддерживается и удерживается над катодным блоком 400 двумя соседними катодными плитами 404, которые установлены в канавке 210 в катодном блоке 400. В результате между средней катодной плитой 404 и катодным блоком 400 образуется проточный сквозной канал 4502. Фиг.47 представляет собой увеличенный вид зоны А на фиг.46. Фиг.46 показывает среднюю катодную плиту 404, имеющую скошенную кромку 4702. Соседняя катодная плита 404 имеет соответствующую сопрягаемую кромку 4704, которая выполнена с возможностью взаимного зацепления со скошенной кромкой 4702. В некоторых вариантах осуществления средняя катодная плита 404 имеет выпуклую поверхность, которая зацепляется с вогнутой кромкой соседней катодной плиты 404.

[00126] Фиг.48 показывает катод, образованный из массива катодных плиток 4802. В некоторых вариантах осуществления каждая плитка 4802 имеет шестигранную форму. В некоторых вариантах осуществления каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. Две катодные плитки 4802 установлены в канавках (не показаны) в катодном блоке 400. Катодные плитки, такие как центральная катодная плитка 4802, не установленные в катодном блоке 400 и расположенные над осадком, могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера. В результате наличия центральной катодной плитки 4802, установленной над осадком, между средней катодной плитой 404 и катодным блоком 400 образуется проточный сквозной канал 4502.

[00127] Фиг.49 показывает другой вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток 4802. Каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. В некоторых вариантах осуществления множество штырей (не показаны), описанных в разных вариантах осуществления настоящего раскрытия, вставлены в катодный блок 400. Катодные плитки 4802 над осадком могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера.

[00128] Фиг.48 показывает катод, образованный из массива катодных плиток 4802. В некоторых вариантах осуществления каждая плитка 4802 имеет шестигранную форму. В некоторых вариантах осуществления каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. Две катодные плитки 4802 установлены в канавках (не показаны) в катодном блоке 400. Катодные плитки, такие как центральная катодная плитка 4802, не установленные в катодном блоке 400 и расположенные над осадком, могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера. В результате наличия центральной катодной плитки 4802, установленной над осадком, между средней катодной плитой 404 и катодным блоком 400 образуется проточный сквозной канал 4502.

[00129] Фиг.49 показывает другой вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток 4802. Каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. В некоторых вариантах осуществления множество штырей (не показаны), описанных в разных вариантах осуществления настоящего раскрытия, вставлены в катодный блок 400. Катодные плитки 4802 над осадком могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера.

[00130] Фиг.50 показывает еще один вариант осуществления катода, образованного из массива катодных плиток 4802. Каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. В некоторых вариантах осуществления множество штырей 4804, описанных в разных вариантах осуществления настоящего раскрытия, вставлены в катодный блок 400 для поддержки катодных плиток 4802. Катодные плитки 4802 над осадком могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера.

[00131] Фиг.51 показывает катод, образованный из массива катодных плиток 4802. В некоторых вариантах осуществления каждая плитка 4802 имеет шестигранную форму. В некоторых вариантах осуществления каждая катодная плитка 4802 взаимно сцеплена с соседними катодными плитками 4802. Две катодные плитки 4802 установлены в канавках 4806 в катодном блоке 400. Катодные плитки, такие как центральная катодная плитка 4802, не установленные в катодном блоке 400 и расположенные над осадком, могут быть использованы повторно, так как они не будут застревать в осадке при охлаждении электролизера. В результате наличия центральной катодной плитки 4802, установленной над осадком, между средней катодной плитой 404 и катодным блоком 400 образуется проточный сквозной канал 4502.

[00132] В некоторых вариантах осуществления углы уклона на зацепляющихся друг с другом элементах на кромках катодных плит 404 или катодных плиток 4802 обеспечивают возможность некоторого перемещения при тепловом расширении катодных плит 404 или катодных плиток 4802 без повреждения катодных плит 404 или катодных плиток 4802 во время пуска электролизера. В некоторых вариантах осуществления кромочные элементы образованы на катодных плитах 404 или катодных плитках 4802 механической обработкой до спекания, то есть механической обработкой керамики в необожженном состоянии. В некоторых вариантах осуществления кромочные элементы образованы во время обработки до спекания (например, посредством сухого прессования, экструзии) катодных плит 404 или катодных плиток 4802.

[00133] В некоторых вариантах осуществления, в которых кромки катодных плит или катодных плиток механически зацеплены, при развитии трещины в катодной плите или катодной плитке, поддерживаемой на обеих сторонах зацепляющимися катодными плитами или катодными плитками, куски катода не падают в ванну, а продолжают поддерживаться зацепляющимися катодными плитами или катодными плитками. Это удлиняет срок службы катодов и электролизера. В некоторых вариантах осуществления даже после развития трещины разломавшаяся катодная плита или катодная плитка продолжает функционировать в качестве катода, поскольку электрическое соединение между катодными плитами или катодными плитками сохраняется за счет физического контакта на кромках катодных плит или катодных плиток и посредством пленки алюминия на их поверхности во время электролиза.

[00134] В некоторых вариантах осуществления катодная плита поддерживается соседними катодными плитами и не смонтирована на катодном блоке. В данном варианте осуществления образуется проточный сквозной канал между катодным блоком и катодной плитой.

[00135] В некоторых вариантах осуществления способ получения металлического алюминия электрохимическим восстановлением глинозема включает: (а) пропускание тока между анодом и катодом через ванну электролита электролизера, причем этот электролизер содержит: (i) электролизную ванну, (ii) катодную опору, удерживаемую на подине электролизной ванны, при этом катодная опора контактирует с по меньшей мере одним из: слоя металла и ванны расплавленного электролита в электролизной ванне, при этом катодная опора включает в себя: тело, имеющее нижнюю часть опоры, которая выполнена с возможностью сообщаться с подиной электролизера, и верхнюю часть опоры, противоположную нижней части опоры и имеющую зону крепления катодов, выполненную с возможностью удерживания в ней по меньшей мере одной катодной плиты; и (b) подачу питающего материала в электролизер. В некоторых вариантах осуществления вышеописанного способа питающий материал электролитически восстанавливают до металлического продукта. В некоторых вариантах осуществления вышеописанного способа металлический продукт стекает с катодов на подину электролизера с образованием слоя металла. В некоторых вариантах осуществления вышеописанного способа получают металлический продукт с чистотой Р1020.

[00136] В некоторых вариантах осуществления катодная опора в способе может представлять собой катодную опору по вариантам осуществления, описанным в настоящем раскрытии. В некоторых вариантах осуществления катодная опора выполнена с возможностью обеспечения сквозного канала для прохода металла и/или ванны электролита. В некоторых вариантах осуществления катодная опора включает в себя по меньшей мере один вырез или механически вырезанный участок (или их множество) вдоль области подошвы катодной опоры. В некоторых вариантах осуществления вырезы расположены вдоль подошвы катодной опоры (т.е. проходящими от нижней поверхности катодной опоры до поверхности вдоль боковых(ой) сторон(ы) опоры). В некоторых вариантах осуществления вырезы расположены вдоль боковых сторон (например, проходящими от одной боковой стороны через тело катодной опоры до другой стороны катодной опоры (удаленными от нижней поверхности катодной опоры)). В различных вариантах осуществления эти вырезы предназначены обеспечивать возможность протекания ванны электролита и/или металла сквозь катодную опору и выполнены с любыми формой или размерами, подходящими для этой цели.

[00137] В некоторых вариантах осуществления зона крепления катодов в катодной опоре содержит: множество гребнеобразных выступов (например, подобно зубчатой рейке), причем это множество гребнеобразных выступов расположены на расстоянии друг от друга (разнесены) и выполнены с возможностью вдвигания катодных плит между гребнеобразными выступами и удерживания их посредством гребнеобразных выступов. В некоторых вариантах осуществления катодная опора имеет множество выступающих/удлиненных участков (например, каждый с верхней и противоположными боковыми сторонами) вдоль ее верхней поверхности, причем эти выступающие/удлиненные участки выполнены разнесенном положении для поддержки катодной плиты между двумя боковыми сторонами (например, противоположными боковыми сторонами) двух выступающих/удлиненных участков. В некоторых вариантах осуществления зона крепления катодов в катодной опоре имеет рельефную поверхность для удерживания в ней катодных плит.

[00138] В некоторых вариантах осуществления катодная опора содержит: углеродистый материал (например, графит); композиционный материал TiB₂-углерод, диборид титана (TiB₂), карбид кремния (SiC), нитрид бора (BN), нитрид кремния (Si₃N₄), борид гафния (HfB₂), композиционные материалы HfB₂-углерод, диборид циркония (ZrB₂), композиционные материалы ZrB₂-углерод, металлы, сплавы и их сочетания. В некоторых вариантах осуществления катодная опора содержит составной материал (например, графит, покрытый керамическим материалом, подобным TiB₂). В некоторых вариантах осуществления катодная опора изготовлена из смачиваемых алюминием материалов. В некоторых вариантах осуществления катодные плиты изготовлены из смачиваемых алюминием материалов. В некоторых вариантах осуществления смачиваемые алюминием материалы представляют собой материалы, имеющие краевой угол контакта с расплавленным алюминием не более 90 градусов в расплавленном электролите. Некоторые неограничивающие примеры смачиваемых материалов могут содержать один или более из TiB₂, ZrB₂, HfB₂, SrB₂, углеродистых материалов и их сочетаний.

[00139] В некоторых вариантах осуществления катодная опора выполнена с возможностью крепления к подине электролизера. Некоторые неограничивающие примеры крепежных элементов (крепежных приспособлений) включают: механический крепеж (крепежные элементы), болты, винты, задвижки, зажимы, скобы, набивку и их сочетания.

[00140] В некоторых вариантах осуществления опоры катодных плит поддерживают катодные плиты и удерживают катодные плиты в вертикальном положении. В некоторых вариантах осуществления опоры катодных плит содержат плиты, установленные в канавках, прорезанных в катодном блоке. В некоторых вариантах осуществления опоры катодных плит состоят из диборида титана. В некоторых вариантах осуществления опоры катодных плит состоят из того же материала, что и по меньшей мере одна катодная плита.

Изобретение относится к электролизеру для получения алюминия электрохимическим восстановлением глинозема. Электролизер содержит электролизную ванну, анод, катод, катодную опору, удерживаемую на подине электролизной ванны, при этом катодная опора контактирует с по меньшей мере одним из слоя металла и ванны расплавленного электролита в электролизной ванне, при этом катодная опора содержит по меньшей мере одно катодное крепление для удерживания по меньшей мере одной катодной плиты из множества катодных плит, выполненное в виде канавки на поверхности катодной опоры, имеющей глубину, достаточную для удерживания по меньшей мере одной катодной плиты из множества катодных плит. Раскрыт также вариант выполнения электролизера, в котором катодная плита имеет кромку, выполненную с возможностью механического взаимного зацепления с множеством соседних катодных плит, в частности первой и второй соседних плит, которые перекрываются с по меньшей мере одним анодом. Раскрыт также способ получения алюминия в упомянутом электролизере. Обеспечивается возможность удерживания катодов на подине электролизера в практически вертикальной конфигурации. 3 н и 37 з.п. ф-лы, 51 ил.

1. Электролизер для получения металлического алюминия, содержащий:

(a) множество анодов;

(b) множество катодных плит, соседних с и перекрывающихся с упомянутым множеством анодов; и

(c) катодную опору в контакте с по меньшей мере одной катодной плитой из упомянутого множества катодных плит;

при этом катодная опора содержит по меньшей мере одно катодное крепление, выполненное с возможностью удерживания упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты из упомянутого множества катодных плит.

2. Электролизер по п.1, в котором упомянутое по меньшей мере одно катодное крепление катодной опоры содержит поверхностные канавки на верхней поверхности катодной опоры, причем эти поверхностные канавки обладают достаточной глубиной для удерживания по меньшей мере одной катодной плиты из упомянутого множества катодных плит.

3. Электролизер по п.1, в котором упомянутое по меньшей мере одно катодное крепление катодной опоры содержит:

первое множество балок, содержащих одну или более канавок, при этом упомянутые одна или более поверхностных канавок выполнены с возможностью удерживания упомянутой по меньшей мере одной катодной плиты из упомянутого множества катодных плит; и

второе множество балок, соединяющих первое множество балок.

4. Электролизер по п.1, в котором упомянутое множество катодных плит содержит по меньшей мере первую катодную плиту и вторую катодную плиту, причем кромка первой катодной плиты касается кромки второй катодной плиты, и при этом вторая катодная плита находится на противоположной стороне первой катодной плиты.

5. Электролизер по п.1, в котором упомянутое по меньшей мере одно катодное крепление содержит множество штырей.

6. Электролизер по п.5, в котором нижние части штырей из упомянутого множества штырей удерживаются соответствующими отверстиями в катодной опоре.

7. Электролизер по п.6, в котором множество штырей расположены в разнесенном друг от друга положении, и при этом по меньшей мере некоторые из упомянутого множества штырей поддерживают по меньшей мере одну катодную плиту из упомянутого множества катодных плит в вертикальной конфигурации.

8. Электролизер по п.5, в котором множество штырей содержат первую группу штырей и вторую группу штырей.

9. Электролизер по п.8, в котором нижние части штырей из первой группы штырей расположены в виде первого линейного ряда на катодной опоре, и при этом нижние части штырей из второй группы штырей расположены в виде второго линейного ряда на катодной опоре.

10. Электролизер по п.9, в котором первый линейный ряд параллелен второму линейному ряду.

11. Электролизер по п.5, в котором верхние части штырей из упомянутого множества штырей выполнены с возможностью поддержки неплоской катодной плиты из упомянутого множества катодных плит в вертикальной конфигурации.

12. Электролизер по п.8, в котором первый штырь из первой группы штырей содержит верхнюю часть первой формы, и при этом второй штырь из второй группы штырей содержит верхнюю часть второй формы.

13. Электролизер по п.12, в котором первая форма верхней части отличается от второй формы верхней части.

14. Электролизер по п.12, в котором первый штырь имеет первый диаметр верхней части, и при этом второй штырь имеет второй диаметр верхней части.

15. Электролизер по п.14, в котором первый диаметр верхней части отличается от второго диаметра верхней части.

16. Электролизер по п.12, в котором первый штырь и второй штырь имеют первый диаметр нижней части, и при этом первый штырь и второй штырь имеют второй диаметр верхней части.

17. Электролизер по п.16, в котором первый диаметр нижней части отличается от второго диаметра верхней части.

18. Электролизер по п.12, в котором первая форма верхней части и вторая форма верхней части имеют не обладающую боковой симметрией форму.

19. Электролизер по п.5, в котором по меньшей мере некоторые из упомянутого множества штырей содержат диборид титана.

20. Электролизер по п.5, в котором первый штырь из упомянутого множества штырей имеет изменяющийся радиус.

21. Электролизер по п.20, в котором упомянутый первый штырь, имеющий изменяющийся радиус, поворачивается до тех пор, пока не будет достигнут желаемый зазор между упомянутым по меньшей мере одним штырем и катодной плитой.

22. Электролизер по п.5, в котором по меньшей мере некоторые из упомянутого множества штырей заделаны в катодной опоре, причем верхние части по меньшей мере некоторых штырей из упомянутого множества штырей содержат два зубца, и при этом по меньшей мере одна катодная плита из упомянутого множества катодных плит расположена между этими двумя зубцами.

23. Электролизер по п.1, в котором по меньшей мере две катодные плиты из упомянутого множества катодных плит механически зацепляются вместе.

24. Электролизер по п.23, в котором упомянутое множество катодных плит содержит по меньшей мере первую катодную плиту и вторую катодную плиту, причем как первая катодная плита, так и вторая катодная плита содержат боковые кромки, выполненные с возможностью механического взаимного зацепления друг с другом.

25. Электролизер по п.24, в котором боковые кромки первой катодной плиты являются вогнутыми боковыми кромками, причем боковые кромки второй катодной плиты являются выпуклыми боковыми кромками, и при этом вогнутые боковые кромки выполнены с возможностью взаимного зацепления с выпуклыми боковыми кромками.

26. Электролизер по п.25, в котором боковые кромки катодных плит содержат множество отверстий, причем каждое отверстие из упомянутого множества отверстий выполнено с возможностью приема штыря из упомянутого множества штырей, при этом упомянутое множество штырей механически сцепляют первую катодную плиту со второй катодной плитой.

27. Электролизер по п.23, в котором первая катодная плита не смонтирована на катодной опоре.

28. Электролизер по п.27, в котором катодная опора и катодная плита по меньшей мере частично образуют проточный канал.

29. Электролизер по п.1, содержащий катодный блок, при этом катодная опора по меньшей мере частично находится на катодном блоке.

30. Электролизер по п.29, в котором катодная опора выполнена заодно с катодным блоком.

31. Электролизер по п.29, в котором катодная опора является отдельной от катодного блока деталью.

32. Способ получения металлического алюминия электрохимическим восстановлением глинозема в электролизере по любому из пп. 1-31, включающий:

(а) пропускание тока между анодом и катодом через ванну расплавленного электролита в электролизной ванне;

(b) подачу глинозема в электролизер и

(с) электролитическое восстановление глинозема до металлического продукта – алюминия.

33. Способ по п.32, дополнительно включающий: (d) стекание металлического продукта – алюминия с катодов на подину электролизера с образованием слоя металла.

34. Электролизер для получения металлического алюминия, содержащий:

(a) множество анодов;

(b) катодную опору и

(c) катодную плиту, удерживаемую на катодной опоре, при этом катодная плита имеет кромку, которая выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с множеством соседних катодных плит, причем это множество соседних катодных плит содержит первую соседнюю катодную плиту и вторую соседнюю катодную плиту;

при этом по меньшей мере одна из упомянутых катодной плиты, первой соседней катодной плиты и второй соседней катодной плиты перекрываются с по меньшей мере одним анодом из упомянутого множества анодов.

35. Электролизер по п.34, в котором катодная плита содержит:

верхнюю кромку;

нижнюю кромку;

первую боковую кромку и

вторую боковую кромку,

при этом первая соседняя катодная плита содержит первую смежную боковую кромку, при этом вторая соседняя катодная плита содержит вторую смежную боковую кромку, при этом первая боковая кромка выполнена с возможностью механического взаимного зацепления с первой смежной боковой кромкой первой соседней катодной плиты и при этом вторая боковая кромка выполнена с возможностью механического взаимного зацепления со второй смежной боковой кромкой второй соседней катодной плиты.

36. Электролизер по п.35, в котором первая боковая кромка, вторая боковая кромка, первая смежная боковая кромка и вторая смежная боковая кромка содержат скошенные кромки, причем эти скошенные кромки выполнены с возможностью механического взаимного зацепления друг с другом.

37. Электролизер по п.35, в котором первая соседняя катодная плита и вторая соседняя катодная плита выполнены с возможностью взаимного зацепления с катодной плитой так, что катодная плита расположена над катодной опорой.

38. Электролизер по п.35, в котором первая боковая кромка и вторая боковая кромка являются выпуклыми боковыми кромками, причем первая смежная боковая кромка и вторая смежная боковая кромка являются вогнутыми боковыми кромками, и при этом вогнутые боковые кромки выполнены с возможностью взаимного зацепления с выпуклыми боковыми кромками.

39. Электролизер по п.34, в котором катодная плита содержит массив взаимно сцепленных катодных плиток.

40. Электролизер по п.39, в котором взаимно сцепленные катодные плитки являются шестигранными.