СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА РАСПЛАВЛЕННЫХ ОКСИДОВ Российский патент 2022 года по МПК C25C3/08 C25C3/16 C25C3/24 C25C7/02 C25C7/06 

Область техники

[0001] Настоящая технология относится к системам и компонентам, в которых можно проводить электролитическую обработку, и к способам использования этих систем. Более конкретно, настоящая технология относится к системам обработки для проведения электролиза расплавленных оксидов или других металлургических операций.

Предпосылки изобретения

[0002] Металлургические сосуды и системы используют для множества различных процессов, включая выплавку металлов и операции рафинирования, которые могут включать, например, плавку и электролиз расплавленных оксидов. Сосуды и системы для проведения таких процессов часто конструируют под конкретный процесс, металлический продукт и металлическое сырье, и их нельзя применять для многих металлов или операций обработки. Кроме этого, работа систем может быть ограничена в зависимости от использованных материалов и от фиксированных параметров и рабочих характеристик системы. Многие металлургические операции ограничены определенной температурой или источниками энергии и, таким образом, их нельзя применять для обработки или рафинирования многих разных полезных металлов и материалов. В итоге, работа этих систем может быть неэффективна в результате постоянных технологических остановок для проведения выпуска металла или подачи сырья, операций замены электродов или колебаний температуры и/или производительности.

[0003] Таким образом, существует потребность в усовершенствованных сосудах и системах, которые можно использовать для обработки ряда металлов и материалов эффективным образом. Эти и другие потребности удовлетворяются с помощью настоящей технологии.

Сущность изобретения

[0004] Металлургические агрегаты и системы согласно настоящей технологии могут содержать огнеупорный сосуд, имеющий боковые стороны и основание. В основании может быть образовано множество отверстий, находящихся по центру внутри основания. Боковые стороны и основание могут по меньшей мере частично образовать внутренний объем огнеупорного сосуда. Агрегаты могут содержать крышку, такую как огнеупорная крышка, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом. В крышке может быть образовано множество сквозных отверстий. Агрегаты также могут содержать токоотвод, смежный с основанием огнеупорного сосуда. Токоотвод может содержать токопроводящие выступы, расположенные внутри множества отверстий, находящихся по центру внутри основания.

[0005] В вариантах осуществления металлургический агрегат может содержать газонепроницаемое уплотнение, установленное вокруг первого отверстия из множества сквозных отверстий, образованных в крышке. Газонепроницаемое уплотнение может быть выполнено с возможностью приема и пропускания подвижного анода через газонепроницаемое уплотнение и образованное в крышке первое отверстие. Газонепроницаемое уплотнение может быть выполнено с возможностью ограничения высвобождения газа из огнеупорного сосуда через первое отверстие из множества образованных в крышке сквозных отверстий. Множество образованных в крышке сквозных отверстий может включать выпускное отверстие, подобранное по размерам для распределения газа из огнеупорного сосуда, и впускное отверстие, подобранное по размерам для распределения материала в огнеупорный сосуд. Огнеупорный сосуд может содержать порошковый слой, по меньшей мере частично образующий боковые стенки огнеупорного сосуда. Огнеупорный сосуд также может содержать слой совместимости, образующий основание огнеупорного сосуда. Слой совместимости также может по меньшей мере частично образовать боковые стенки огнеупорного сосуда.

[0006] Огнеупорный сосуд может содержать по меньшей мере два слоя материала. Внешний слой может содержать изоляционный материал. Внутренний слой может содержать материал, выполненный химически совместимым с электролитом, содержащимся во внутреннем объеме огнеупорного сосуда. Огнеупорный сосуд может дополнительно содержать промежуточный слой материала, расположенный с образованием по меньшей мере части внутреннего объема огнеупорного сосуда. Внутренний слой может характеризоваться удельной теплопроводностью ниже или примерно 25 Вт/(м⋅К). Изоляционный слой может характеризоваться удельной теплопроводностью ниже или примерно 5 Вт/(м⋅К).

[0007] Настоящая технология также охватывает металлургические системы. Системы могут содержать огнеупорный сосуд. Системы могут содержать крышку, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом. В крышке может быть образовано множество сквозных отверстий. Системы также могут содержать узел крепления электрода. Узел крепления электрода может содержать вертикально перемещаемый держатель. Вертикально перемещаемый держатель может быть выполнен с возможностью сопряжения с электродом и с возможностью электрического соединения электрода с источником питания.

[0008] Металлургическая система также может содержать основание системы, содержащее платформу, на которой может поддерживаться огнеупорный сосуд. Система также может содержать токоотвод, расположенный между платформой и основанием системы. Токоотвод может быть механически соединен с огнеупорным сосудом. Узел крепления электрода также может содержать станину, которая может содержать вертикальное направляющее устройство. Узел крепления электрода также может содержать токосъемник, подвижно соединенный с направляющим устройством. Узел крепления электрода также может содержать ферму, соединяющую вертикально перемещаемый держатель с токосъемником. Ферма может представлять собой или содержать изогнутую ферму, проходящую от первого конца на токосъемнике до второго конца, с которым может быть соединен вертикально перемещаемый держатель. Второй конец изогнутой фермы может позиционировать вертикально перемещаемый держатель в осевом совмещении с отверстием крышки относительно вертикальной оси. Система также может содержать первый источник питания, электрически соединенный с электродом вертикально перемещаемым держателем. Система также может содержать второй источник питания, электрически соединенный с токосъемником. В вариантах осуществления электрод может быть анодом. Первый конец анода может заходить в образованный огнеупорным сосудом внутренний объем через газонепроницаемое уплотнение. Дистальная часть анода может быть соединена с вертикально перемещаемым держателем.

[0009] Настоящая технология также может охватывать дополнительные металлургические системы. Системы могут содержать огнеупорный сосуд. Системы также могут содержать крышку, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом. В крышке может быть образовано множество сквозных отверстий. Первое отверстие из множества отверстий может содержать выпускной проем. Системы могут содержать узел крепления электрода. Системы также могут содержать систему выпуска, соединенную с выпускным проемом крышки. Система выпуска может быть выполнена с возможностью окисления отходящих потоков, принимаемых из огнеупорного сосуда. Второе отверстие из множества образованных в крышке сквозных отверстий может содержать впускной проем. Металлургическая система также может содержать систему подачи, соединенную с впускным проемом. Система подачи может быть выполнена с возможностью подачи материала в огнеупорный сосуд.

[0010] Такая технология может обеспечивать множество преимуществ по сравнению с обычными технологиями. Например, технология позволяет создавать металлургические системы и агрегаты, которые можно эксплуатировать в более широком интервале температур и энергий, чем обычные системы. Кроме этого, настоящую технологию можно применять в непрерывных процессах, в отличие от менее эффективной периодической обработки. Эти и другие варианты осуществления, наряду с множеством их преимуществ и признаков, описаны более подробно в сочетании с приведенным ниже описанием и приложенными фигурами.

Краткое описание чертежей

[0011] Дополнительное понимание сути и преимуществ раскрытых вариантов осуществления можно реализовать при обращении к остальным частям описания и чертежей.

[0012] На фиг. 1 представлен схематичный вид в разрезе иллюстративного металлургического агрегата согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0013] На фиг. 2 представлен схематичный вид сверху иллюстративной крышки металлургического сосуда согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0014] На фиг. 3 представлен схематичный вид в разрезе металлургического сосуда согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0015] На фиг. 4 представлен схематичный вид в перспективе токоотвода согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0016] На фиг. 5 представлен схематичный вид в перспективе иллюстративной металлургической системы согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0017] На фиг. 6 представлен схематичный вид в перспективе иллюстративной металлургической системы согласно вариантам осуществления настоящей технологии.

[0018] На фиг. 7 представлены выбранные операции в иллюстративном способе использования металлургической системы согласно настоящей технологии.

[0019] Некоторые фигуры приведены в виде схем. Должно быть понятно, что фигуры предназначены для иллюстративных целей, и их не следует рассматривать в масштабе, если только конкретно не указано, что они приведены в масштабе. Кроме этого, в виде схем фигуры представлены для облегчения понимания и могут не включать все аспекты или сведения по сравнению с реалистичными представлениями и для иллюстративных целей могут содержать материал в увеличенном виде.

[0020] На приложенных фигурах аналогичные компоненты и/или признаки могут иметь то же самое цифровое ссылочное обозначение. Кроме того, различные компоненты одинакового типа в ссылочном обозначении можно различать с помощью буквы, которая вводит различия между сходными компонентами и/или признаками. Если в описании использовано только первое цифровое ссылочное обозначение, то это описание применимо к любому из сходных компонентов и/или признаков, имеющих то же самое первое цифровое ссылочное обозначение независимо от буквенного индекса.

Подробное описание

[0021] В металлургической обработке может использоваться сильный нагрев, например, от тепловых или электрических источников, для обработки множества самых разных материалов, включая металлы и металлосодержащие материалы. Эти материалы могут иметь точки плавления значительно намного выше 1000°C, и поэтому сосуд и любые связанные с ним компоненты, контактирующие с расплавленными материалами, могут передавать очень высокие температуры. Многие системы работают с застывшей коркой электролита, которая может защищать стенки ванны от самых высоких температур, а также от химического воздействия компонентов электролита на внутренние стенки.

[0022] Обычные ванны могут быть ограничены установкой сосуда или всей системы. Например, для многих конструкций требуется полная остановка для извлечения затвердевшего продукта. Кроме этого, расходование одного из электродов, например, анода, может привести к остановке работы, а также полному восстановлению целевого вещества в системе, что может потребовать проведения дополнительных периодических загрузок. В обычных системах можно справляться с этими проблемами, обычно принимая ограничения или неэффективности самой системы. С другой стороны, в настоящей технологии используются такие конфигурации системы и принципы работы, которые при обеспечивают непрерывную работу ванны с получением множества целевых материалов.

[0023] Обращаясь к фиг. 1A, там показан вид в разрезе иллюстративного металлургического агрегата 100 согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Этот агрегат и составляющие его компоненты можно использовать для генерирования тепла любом количеством способов для плавления находящихся внутри материалов. Тепло можно получать путем подвода к сосуду высокой температуры, а также можно вырабатывать или генерировать за счет электроэнергии. Агрегат 100 может включать в себя огнеупорный сосуд 110, содержащий боковые стороны 112 и основание 114. Боковые стороны 112 и основание 114 могут по меньшей мере частично образовать внутренний объем 115 внутри огнеупорного сосуда 110. Огнеупорный сосуд 110 может быть выполнен с возможностью помещения в него одного или более материалов для обработки, таких как металлосодержащие материалы, включая оксиды металлов. Сосуд может быть использован с любым числом конфигураций обработки, включая электролиз расплавленных оксидов, и может содержать материалы электролита в дополнение к обрабатываемому металлосодержащему материалу. Огнеупорный сосуд 110 может образовать по меньшей мере одно, а может образовать множество отверстий 116 в центральной зоне основания 114. Отверстия могут обеспечивать доступ к электропроводным элементам, связанным с токоотводом, как обсуждается ниже.

[0024] Металлургический агрегат 100 также может содержать крышку 120, используемую в сочетании с огнеупорным сосудом 110. Крышка 120 может быть съемно сопряжена с огнеупорным сосудом 110 и может быть непосредственно соединена, прикручена болтами, скреплена или связана с огнеупорным сосудом 110. В вариантах осуществления крышка 120 может быть съемно сопряжена с огнеупорным сосудом 110 болтами, крепежными приспособлениями или другими материалами, предназначенными для соединения двух конструкций. И крышка 120, и сосуд 110 может иметь фланец, обеспечивающий поверхность контакта для соединения этих двух компонентов. Во время работы крышку 120 может быть сопряжена с огнеупорным сосудом 110, образуя уплотнение, которое может представлять собой жидкостное уплотнение или может представлять собой герметичное уплотнение. Кроме этого, в некоторых вариантах осуществления крышка 120 может быть сопряжена с огнеупорным сосудом 110 для содействия удержанию и/или сбору или удалению получаемых отходящих материалов, включая газообразные побочные продукты. В некоторых вариантах осуществления крышка 120 может быть выполнена с возможностью образования частично, по существу или полностью герметичного уплотнения с огнеупорным сосудом 110. В конструкции крышки 120 может быть образовано множество сквозных отверстий, как обсуждается более подробно ниже со ссылкой на фиг. 2.

[0025] Металлургический агрегат 100 также может содержать токоотвод 125, расположенный смежно с основанием 114 огнеупорного сосуда 110. Токоотвод 125 может представлять собой электропроводный стержень или материал, соединенный с огнеупорным сосудом 110 или внутри него. В некоторых вариантах осуществления токоотвод 125 может содержать токопроводящие выступы 126, расположенные внутри множества отверстий 116, находящихся по центру внутри основания 114 огнеупорного сосуда 110.

[0026] Металлургический агрегат 100 может содержать газонепроницаемое уплотнение 130, установленное вокруг первого сквозного отверстия 132, образованного в крышке 120. Газонепроницаемое уплотнение 130 может быть выполнено с возможностью приема и пропускания подвижного анода 140 через газонепроницаемое уплотнение 130 и первое сквозное отверстие 132, образованное в крышке 120. В зависимости от процесса, выполняемого внутри огнеупорного сосуда 110, анод можно двигать одним или более способами. Например, в вариантах осуществления анод 140 может быть образован из углерода или некоторых других электропроводных материалов. В самом процессе углерод может по меньшей мере частично расходоваться в реакции окисления, например, по которой может получаться монооксид углерода, диоксид углерода или какой-то другой углеродсодержащий материал. Во время процесса, в котором расходуется углерод, анод можно перепозиционировать, например, путем опускания дальше в огнеупорный сосуд 110, чтобы сохранять контакт с материалом электролита, сохранять конкретное расстояние между анодом и катодом системы или подавать дополнительный материал для расходования. Кроме этого, во время операций выпуска металла уровень материала внутри огнеупорного сосуда 110 может снижаться, и анод также можно опускать для поддержания реакции во время выпуска металла. Аналогичным образом могут быть охвачены другие сценарии, в которых анод 140 во время работы поступательно перемещают. Хотя показано наличие одного единственного анода, в разных вариантах осуществления может иметься множество анодов и удерживающих аноды систем в зависимости от размера и формы сосуда и распределения катодных материалов или токоотводов.

[0027] Газонепроницаемое уплотнение 130 может быть введено для обеспечения возможности вертикального поступательного перемещения анода 140 при сохранении или по существу сохранении герметичного уплотнения. Например, первое сквозное отверстие 132 в крышке 120 может быть подобрано по размеру для приема анодов 140 множества размеров, или может иметь допуск, обеспечивающий движение анода 140 во время работы. Зазор, который может иметься вокруг анода 140 внутри первого отверстия 132, может обеспечивать путь выхода для газа, образующегося во время работы. Получающийся газ может содержать компоненты, которые могут быть вредными при высвобождении без обработки или могут означать потерю тепла из системы со снижением эффективности проводимого процесса. Соответственно, газонепроницаемое уплотнение 130 может быть образовано или выполнено с возможностью ограничения высвобождения газа из огнеупорного сосуда 110 через первое сквозное отверстие 132, образованное в крышке 120. Газонепроницаемое уплотнение 130 может содержать множество пластин, скрученных болтами или сваренных вместе, и может содержать одну или более прокладок для образования парового барьера вокруг анода 140.

[0028] В вариантах осуществления технологии огнеупорный сосуд 110 может содержать некоторое число слоев и материалов. Хотя на фиг. 1 показан трехслойный огнеупорный сосуд, должно быть понятно, что в вариантах осуществления огнеупорные сосуды согласно настоящей технологии могут содержать 1, 2, 3, 4, 5 или более слоев с множеством различных конфигураций. Как показано, огнеупорный сосуд 110 содержит множество слоев, а в вариантах осуществления может содержать по меньшей мере два слоя материала. Огнеупорный сосуд 110 может содержать внешний слой материала 109, которым может быть изоляционный материал, выполненный с возможностью уменьшения потери тепла из огнеупорного сосуда. Огнеупорный сосуд 110 также может содержать внутренний слой материала 113, с которым может контактировать один или более материалов внутри огнеупорного сосуда 110, включая компоненты электролита. Внутренний слой материала 113 может содержать материал, выполненный химически совместимым с электролитом, содержащимся во внутреннем объеме 115 огнеупорного сосуда 110. Этим материалом может быть материал, специфический для конкретного химического процесса, выполняемого внутри огнеупорного сосуда 110. Например, материалом 113 может быть материал, химически инертный к одному или более компонентам электролита, или же этот материал может быть составлен из материалов, способных выдерживать температуру, давление и/или химические условия во внутреннем объеме 115 огнеупорного сосуда 110.

[0029] В некоторых вариантах осуществления огнеупорный сосуд 110 также может содержать промежуточный слой материала 111. Промежуточный слой материала 111 может обеспечивать огнеупорному сосуду устойчивость с точки зрения конструкции, температуры, реакционной способности или другим характеристикам. Каждый из слоев материала может присутствовать в разных формах. Например, каждый слой материала может образовать часть одной или обеих боковых сторон 112, а также основания 114. Как показано на фиг. 1, внутренний слой материала 113 может образовать внутренние боковые стенки огнеупорного сосуда 110, тогда как промежуточный слой материала 111 может образовать внутреннее основание и может образовать сквозные отверстия через основание 114 огнеупорного сосуда 110, а также это может делать внешний слой 109. Вокруг огнеупорного сосуда 110 может быть расположена охлаждающая рубашка (не показана), и вокруг огнеупорного сосуда может протекать одна или более охлаждающих текучих сред. Помимо этого, охлаждающая рубашка может иметь отражающую поверхность для уменьшения излучательного теплопереноса из огнеупорного сосуда 110. Возможны другие конфигурации, в которых материалы образуют одну или более зон огнеупорного сосуда 110.

[0030] Огнеупорный сосуд 110 может быть выполнен из ряда материалов, используемых при производстве обычных печей, включая огнеупорные глины и разные неметаллические материалы, включая оксиды разных элементов. В качестве примера сосуд может состоять из металлов или керамических материалов и может содержать оксиды, карбиды и/или нитриды кремния, кальция, магния, алюминия и бора. Материалы огнеупорного сосуда также могут включать в себя одно или более из железа, стали, ниобия, молибдена, тантала, вольфрама, рения, титана, ванадия, хрома, циркония, гафния, рутения, родия, осмия или иридия, а также оксиды, нитриды и другие комбинации, включающие один или более из этих материалов. Можно использовать дополнительные материалы, когда эти материал или материалы способны выдерживать температуры выше или примерно 500°C, выше или примерно 1000°C, выше или примерно 1500°C, выше или примерно 2000°C, выше или примерно 2500°C, выше или примерно 3000°C, выше или примерно 3500°C, выше или примерно 4000°C, или выше. В отличие от многих обычных сосудов, таких как многие ванны Холла-Эру, которые могут быть ограничены температурами ниже или примерно 1000°C, представленные сосуды могут быть способны работать со значительно более высокими температурами, облегчающими электрохимическую обработку многих дополнительных металлов с температурами плавления выше 1500°C. Кроме этого, материалы могут не реагировать с материалами, содержащимися внутри сосуда. Огнеупорный сосуд 110 также может содержать проем 145, выполненный с возможностью выдачи рафинированных или обработанных материалов из огнеупорного сосуда 110. Специалистам будет легко понятно, что проемы могут быть расположены в любом числе мест, и их не следует считать ограниченными показанной иллюстративной конструкцией.

[0031] Материалы огнеупорного сосуда также могут включать в себя или быть образованы из материалов, характеризующихся конкретными тепловыми характеристиками. Например, внутренний слой материала 113 может характеризоваться более высокой удельной теплопроводностью, чем внешний слой материала 109, который может представлять собой изоляционный слой. Любые материалы огнеупорного сосуда могут характеризоваться удельной теплопроводностью ниже или примерно 30 Вт/(м⋅К) и могут характеризоваться удельной теплопроводностью ниже или примерно 25 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 20 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 15 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 10 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 5 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 3 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 2 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 1 Вт/(м⋅К), ниже или примерно 0,5 Вт/(м⋅К), или менее. Удельная теплопроводность каждого слоя также может составлять любой меньший диапазон в пределах любого из этих указанных диапазонов, например, между примерно 0,5 Вт/(м⋅К) и примерно 2 Вт/(м⋅К), или меньший диапазон в пределах этого или других указанных диапазонов.

[0032] Обращаясь к фиг. 2, там показан схематичный вид сверху иллюстративной крышки 120 металлургического сосуда согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Как замечено ранее, в конструкции крышки 120 может быть образовано множество сквозных отверстий. Центральное отверстие, которым может быть первое отверстие 132, может быть предусмотрено для размещения анода, как описано ранее. Крышка 120 может образовать контактную площадку или фланец вокруг первого отверстия 132 для приема и предоставления стабильной или плоской поверхности для газонепроницаемого уплотнения с целью ограничения или предотвращения выхода текучей среды вокруг анода или электрода, проходящего через первое отверстие 132. Крышка 120 также может образовать выпускное отверстие 210, которое может быть подобрано по размерам для распределения газа из огнеупорного сосуда. Выпускное отверстие 210 также может содержать контактную площадку или фланец для соединения трубопровода или другого оборудования, который может обеспечить гидравлическое уплотнение вокруг выпускного отверстия 210. Выпускное отверстие может обеспечить регулирование давления внутри металлургической системы, а также может обеспечить извлечение образующегося пара для ряда назначений. Например, извлекаемый пар можно очищать, промывать в скруббере или дополнительно обрабатывать для уменьшения вредных или нежелательных свойств. Кроме этого, извлекаемый пар можно использовать в качестве источника тепла для других операций, и пар можно извлекать для других вариантов использования. Например, в некоторых операциях обработки оксидов металлов на аноде может образовываться газообразный кислород, который можно собирать из системы и использовать по разным назначениям, для которых подходит кислород.

[0033] В крышке 120 также может быть образовано одно или более впускных отверстий 220, которые могут быть подобраны по размерам для распределения материала или материалов в огнеупорный сосуд. Как показано, впускные отверстия 220 могут быть образованы насквозь в крышке 120 вокруг выпускного отверстия 210. Например, в зависимости от систем, связанных с извлечением или обработкой отходящих газов, а также с подачей материала, впускное отверстие 220a может быть образовано дистально к выпускному отверстию 210, как показано. В крышке 120 также может быть образовано множество сквозных впускных отверстий, которые можно использовать для обеспечения множества мест подачи аналогичного материала или которые могут обеспечивать доступ для подачи разных материалов в огнеупорный сосуд. Например, как показано, крышка 120 содержит два впускных отверстия 220, хотя может иметься большее или меньшее количество впускных отверстий. При том, что впускное отверстие 220a можно использовать для подачи оксида целевого металла, например, впускное отверстие 220b можно использовать для подачи в огнеупорный сосуд дополнительных материалов электролита, легирующих материалов или других добавок или компонентов. Кроме этого, впускные отверстия 220a могут быть предназначены для облегчения доставки материала в виде мелких частиц, например, через сито или воронкообразное отверстие. Многие обычные системы включают турбулентную работу, которая может вызывать спекание или агломерацию доставляемого материала. Настоящая технология может обеспечивать значительно более стабильную работу, обеспечивая доставку в систему материалов в виде мелких частиц.

[0034] Преимущество описанных систем по настоящей технологии состоит в том, что они могут облегчать непрерывную обработку материалов, в отличие от электродуговых печей. Представленные системы могут непрерывно потреблять электричество для генерирования тепла и получения конечных материалов. Многие обычные высокотемпературные реакторы могут работать только при периодической обработке. Хотя некоторые системы Холла-Эру могут работать при непрерывным потреблении электричества, эти системы работают при значительно пониженных температурах с уменьшением образования и излучения тепла. Из этих преимуществ включение одного впускного проема, который может принимать регулируемый поток оксида целевого металла, может облегчать непрерывную обработку. Впускные отверстия 220 также могут содержать контактную площадку или фланец для соединения трубопровода или других компонентов, связанных с доставкой материала, которые могут обеспечить образование уплотнения вокруг впускных отверстий. Так как соответствующее подающее оборудование может быть соединено с крышкой 120, либо напрямую, либо непрямую (опосредованно), снятие оборудования для добавления других компонентов может быть затруднено или неэффективно. Соответственно, для многокомпонентных систем или для координирования материалов электролита в крышке 120 может быть образовано множество сквозных впускных отверстий 220.

[0035] В крышке 120 также могут быть образованы отверстия 230, которые могут включать в себя инжекционные отверстия, а также измерительные отверстия. Для некоторых операций может быть полезна инжекция газа во время работы. Отверстия для подачи газа могут обеспечивать добавление в огнеупорный сосуд разных элементов. Отверстия для подачи газа, включенные в отверстия 230, могут содержать сопло или проем, с которым можно соединить газовые трубопроводы, или могут содержать впуски, в которые можно вставлять газовые трубки. Отверстия 230 также могут включать отверстия для измерительного оборудования, включая операции измерения температуры, давления, электричества и другие. Используемые датчики и оборудование могут быть специально выполнены с возможностью работы при температурах до, выше или примерно 1000°C, выше или примерно 2000°C, выше или примерно 3000°C, или выше. Однако с точки зрения уникальной работы по настоящей технологии можно использовать множество стандартных датчиков. Описанные системы могут давать локализованный тепловой эффект внутри сосуда, который может обеспечивать разные места вокруг сосуда, имеющие температуры, которые могут быть на несколько сотен градусов ниже центральной части сосуда. Это может обеспечить встраивание датчиков и другого оборудования, которое традиционно нельзя было задействовать в некоторых обычных системах, таких как электродуговые печи, по причине излучательной теплопередачи при температурах, которые могут превышать 2000°C. Аналогично другим отверстиям, образованным в крышке 120, отверстия 230 могут обеспечивать уплотнение для ограничения или предотвращения потери или распыления газа из огнеупорного сосуда.

[0036] Крышка 120 также может содержать проемы 240 доступа, которые могут проходить из крышки 120 в разных направлениях, местоположениях или под разными углами. Проемы доступа могут содержать резьбовые участки или другие соединения с прокладками или фланцами, которые могут обеспечить уплотнение проемов доступа с крышкой или другим средством закрывания во время работы для ограничения или предотвращения высвобождения газа. Проемы доступа могут способствовать визуальному осмотру, тестированию или другим операциям за счет обеспечения разного доступа в зоны огнеупорного сосуда. Как показано, проемы 240 доступа могут быть распределены вокруг крышки 120 для предоставления доступа в разные зоны огнеупорного сосуда во время работы. В крышке 120 может содержаться любое количество отверстий каждого типа, и показанная конфигурация является всего лишь одной возможной конфигурацией, охватываемой настоящей технологией. Должно быть понятно, что настоящая технология аналогичным образом охватывает другие конфигурации, количества отверстий и комбинации отверстий.

[0037] На фиг. 3 показан дополнительный схематичный вид в разрезе огнеупорного сосуда 300 согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Огнеупорный сосуд 300 может иметь дополнительную конфигурацию материалов, в которую может входить порошковый слой 310. Порошковый слой 310 может состоять или включать любые из описанных ранее материалов и может становится структурно отвержденным при рабочих температурах, которые могут подниматься выше 1000°C. Порошковый слой 310 может по меньшей мере частично образовать боковые стенки огнеупорного сосуда 300. Огнеупорный сосуд 300 также может содержать слой 320 совместимости. Слой 320 совместимости может образовать внутреннее основание огнеупорного сосуда 300 и может образовать отверстия, сквозь которые могут быть распределены электропроводные элементы токоотвода. Как показано, слой 320 совместимости может наряду с порошковым слоем 310 также по меньшей мере частично образовывать боковые стенки огнеупорного сосуда. Слой 320 совместимости может быть выполнен химически, термически или иным образом совместимым с материалами, содержащимися внутри огнеупорного сосуда. Огнеупорный сосуд 300 также может содержать изоляционный материал 330, содержащийся во внешней зоне вокруг огнеупорного сосуда 300.

[0038] Характеристики огнеупорного сосуда 300 могут быть отчасти основаны на используемых при создании сосуда материалах. Например, в характеристики огнеупорного сосуда могут вносить вклад оксид алюминия, оксид магния, оксид циркония или другие материалы. Например, удельное сопротивление огнеупора может составлять в диапазоне от более чем или примерно 1,0⋅10²⁴ Ом⋅м при температурах от ниже примерно 500°C до менее чем или примерно 1,0⋅10⁹ Ом⋅м при температурах выше 1000°C и может иметь любое значение в этом диапазоне. Кроме этого, процентная доля ионной проводимости при температурах выше 500°C может варьировать в зависимости от материалов. При использовании материалов с пониженным ионным переносом ионная проводимость может опускаться до нуля процентов, тогда как при использовании материалов с более высоким ионным переносом ионная проводимость может доходить до 100 процентов и может иметь любое значение в этом диапазоне.

[0039] Огнеупорный сосуд может характеризоваться коэффициентом теплового расширения, также зависящим от использованных в сосуде материалов. Например, коэффициент теплового расширения огнеупора может составлять от примерно 2 мкм/м⋅°C до примерно 18 мкм/м⋅°C или более, и может иметь любое значение в этом диапазоне. Его значение можно регулировать в зависимости от рабочих температур, и оно может характеризоваться зависимым от температуры изменением от примерно -1 до примерно +1 с изменением материалов и рабочих температур. Огнеупорный сосуд также может характеризоваться пористостью, отчасти зависящей от материалов и формирования сосуда. В вариантах осуществления огнеупор может характеризоваться пористостью от менее чем или примерно 10% до более чем или примерно 80%, и может иметь любую конкретную пористость в пределах этого диапазона. Пористость может повышать изоляционную способность огнеупора, и в некоторых вариантах осуществления пористость может составлять более чем или примерно 50%.

[0040] Обращаясь к фиг. 4, там показан схематичный вид в перспективе токоотвода 400 согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Как показано, токоотвод 400 может содержать блок 420, который может содержать одну или более электропроводных шин 430 для обеспечения электрической связи с металлургическим агрегатом. Токоотвод 400 также может содержать множество токопроводящих выступов 425, выступающих из блока 420. Токопроводящие выступы 425 могут быть введены по некоторому рисунку, как показано, но их число и рисунок могут быть заданы для конкретного металлургического сосуда.

[0041] Число и положение токопроводящих выступов 425 может влиять на тепловой поток и тепловую мощность сосуда, а значит, регулируя число и положение токопроводящих элементов, систему можно регулировать рядом способов для установления стабильности или равновесия внутри сосуда. Соответственно, для иллюстративных металлургических агрегатов и сосудов по настоящей технологии токопроводящие элементы можно располагать вдоль блока 420 токоотвода по рисунку, предназначенному для обеспечения теплового и гидравлического равновесия по всему огнеупорному сосуду во время работы. Такой рисунок может принимать множество различных геометрических форм в зависимости от размера и формы сосуда, а число и интервал токопроводящих выступов также можно модифицировать аналогичным образом.

[0042] В некоторых вариантах осуществления токоотвод и/или анод могут быть не соединены электрически с сосудом. Эти компоненты также могут быть электрически изолированы от крышки. Сосуд может иметь возможность быть электрически плавающим, что может ограничивать или предотвращать электрическое заземление электрохимической ванны. Таким образом, во время технологических событий, в которых блуждающий ток замыкает внутреннее содержимое на сосуд или крышку, необязательно имеет место замыкание на землю.

[0043] За счет влияния на поток тепла и электроэнергии через ванну токопроводящие выступы также можно использовать для регулирования формы и местоположения металлосодержащего материала, находящегося внутри металлургического агрегата. Например, в промышленных электролизных ваннах можно использовать или формировать слой рафинируемого металла для получения стратифицированных слоев материала в огнеупорном сосуде, с более плотным рафинированным металлом вдоль основания огнеупорного сосуда. Однако этот слой может быть относительно толстым для того, чтобы сохранять плоский профиль в огнеупоре. Конфигурация токопроводящих выступов может влиять на ток через систему, который может быть сконфигурирован так, чтобы заставить плавящийся слой лежать плоским в огнеупоре.

[0044] Во многих конфигурациях по настоящей технологии расплавленный металл, образовавшийся вдоль основания огнеупорного сосуда, при работе может служить катодом. Токопроводящие выступы или штыри 425 можно быть введены в зависимости от их электропроводных качеств, и в вариантах осуществления они могут содержать металл. Например, в вариантах осуществления токопроводящие выступы 425 могут состоять из или содержать серебро, медь, золото, алюминий, цинк, никель, латунь, бронзу, железо, платину, углеродсодержащий материал, свинец или сталь. В одном варианте осуществления токопроводящие выступы 425 могут содержать медь, которая имеет температуру плавления ниже 1100°С. Однако, если рафинируемым металлом является, например, железо, жидкое железо может иметь температуру свыше 1500°С. Соответственно, расплавленный металл может плавить токопроводящие выступы 425 с получением расплавленной смеси токопроводящих элементов и рафинируемого металла.

[0045] Токопроводящие выступы могут быть из металла с более низкой температурой плавления, чем температура плавления материала, рафинируемого внутри сосуда. В таком случае часть токопроводящих выступов 425, контактирующая с материалом внутри сосуда, также может плавиться. По причине относительно стабильной температуры за пределами температуры плавления материала внутри сосуда тепло может в некоторой степени передаваться через огнеупорное основание 114 и токопроводящие выступы 425. Это может вызывать плавление по меньшей мере части токопроводящих выступов 425. Этот жидкий материал, который также может содержать смесь рафинируемого материала, может заполнять любое промежуточное пространство между токопроводящими стержнями и отверстием перед повторным затвердеванием внутри отверстия под штырь или описанных ранее отверстий 116 по мере перемещения металла дальше от теплового центра. При работе это может защищать от вытекания расплавленного материала через отверстие к токоотводу, что в отсутствие регулирования может вызывать выход системы из строя. Соответственно, материалы могут быть способны к «самозалечиванию» внутри конструкции. В вариантах осуществления также может быть обеспечено дополнительное охлаждение токопроводящих элементов, например, посредством теплопереноса в воздух, воду или какую-то другую текучую среду, которая может переносить тепло от токопроводящих элементов.

[0046] Каждое из отверстий может характеризоваться объемом, предназначенным для размещения внутри каждого из множества отверстий по меньшей мере части каждого из токопроводящих элементов в расплавленном состоянии. Он может содержать расплавленную смесь токопроводящих выступов и рафинируемого материала. В вариантах осуществления длину токопроводящих выступов можно поддерживать на уровне или ниже уровня, равного толщине огнеупорного основания 114. При этом, материал внутри огнеупора может сохраняться в существенно более чистом состоянии, а когда этот материал удаляют, или выпускают, менее вероятно также вытягивание материала из токопроводящих элементов.

[0047] На фиг. 5 представлен схематичный вид в перспективе иллюстративной металлургической системы 500 согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Металлургическая система 500 может содержать некоторые или все компоненты металлургического агрегата 100, как описано ранее. Например, металлургическая система 500 может содержать огнеупорный сосуд 110. Огнеупорный сосуд 110 может иметь проем 502 для обеспечения доступа с целью выпуска металла из огнеупорного сосуда 110. В вариантах осуществления проем 502 может содержать сливной носок или соединитель для соединения канала для выдачи рафинированного материала из огнеупорного сосуда 110. Металлургическая система 500 также может содержать крышку 120, которая может быть выполнена с возможностью образования по существу герметичного уплотнения с огнеупорным сосудом 110, как описано ранее. Крышка 120 также может образовать множество отверстий, как обсуждалось выше в отношении фиг. 2.

[0048] Металлургическая система 500 также может содержать узел 510 крепления электрода. Узел крепления электрода может содержать ряд компонентов для управления использованием и движением электрода системой, который в вариантах осуществления может быть анодом. Узел 510 крепления электрода может содержать вертикально перемещаемый держатель 515. Держатель 515 может быть выполнен с возможностью сопряжения с электродом 520, который может быть аналогичным описанному ранее аноду 140. Держатель 515 также может электрически соединять электрод 520 с источником питания для работы металлургической системы. В некоторых конфигурациях или вариантах технологического применения металлургической системы 500 может происходить расходование или повреждение электрода 520, который может быть необходимо заменять. Соответственно, держатель 515 может быть подобран по размерам для одновременного размещения по меньшей мере части первого электрода и части второго электрода, обеспечивая непрерывное использование электрода, без необходимости в простое системы для переноса компонентов. При работе электрод 520, который может быть анодом, может проходить во внутренний объем огнеупорного сосуда 110, как описано ранее, через газонепроницаемое уплотнение 130, сопряженное с крышкой 120. Затем дистальная часть электрода 520 может быть сопряжена с вертикально перемещаемым держателем 515, который может быть соединен с механизмом для поступательного перемещения анода во время работы металлургической системы 500.

[0049] В некоторых вариантах осуществления узел 510 крепления электрода и огнеупорный сосуд 110 могут быть отдельностоящими компонентами в зависимости от размера системы или объемных требований. Кроме этого, как показано, один или оба из узла 510 крепления электрода и огнеупорного сосуда 110 могут быть встроены в основание 525 системы, выполненное с возможностью поддержки и разнесения компонентов друг относительно друга для использования в процессе. Как обсуждалось ранее, токоотвод 125 может находиться под огнеупорным сосудом 110, и, таким образом, основание 525 системы может быть выполнено с возможностью размещения токоотвода 125. Как показано, основание 525 системы может содержать платформу 527, на которой может поддерживаться огнеупорный сосуд 110. Платформа 527 может иметь форму рамы для обеспечения доступа с целью прохождения токопроводящих выступов токоотвода 125 в огнеупорный сосуд 110 и электрического соединения с огнеупорным сосудом 110. Токоотвод 125 может быть расположен между платформой 527 и основанием 525 системы. В вариантах осуществления токоотвод может быть соединен с основанием 525 системы или платформой 527, в то время как в других вариантах осуществления токоотвод может быть не соединен с какой-либо конструкцией, а может быть сопряжен с и поддерживаться огнеупорным сосудом 110. Платформа 527 также может обеспечивать защиту над соединениями шин токоотвода 125, где могут быть сделаны электрические соединения.

[0050] Узел 510 крепления электрода может содержать множество компонентов, чтобы сделать возможным точное регулирование движения электрода 520. Так как электрод 520 может быть расположен по центру над огнеупорным сосудом 110, узел 510 крепления электродом может быть расположен сбоку от огнеупорного сосуда 110, проходя по меньшей мере частично поперек огнеупорного сосуда 110 для сопряжения с электродом 520. Узел 510 крепления электрода может содержать по меньшей мере одну стационарную конструкцию и по меньшей мере одну поступательно перемещаемую конструкцию, которые работают в сочетании для управления движением электрода 520. Например, узел 510 крепления электрода может содержать станину 530, которая в вариантах осуществления может быть стационарной. Например, станина 530 может быть неразъемно соединена с основанием 525 системы или какой-то другой конструкцией, на которой находится металлургическая система 500. Станина 530 может содержать направляющее устройство или другие приспособления, на которых может проходить токосъемник 535. Токосъемник 535 может быть подвижно соединен с каким-либо из компонентов станины 530, таким как показанное направляющее устройство 540.

[0051] Либо токосъемник 535, либо станина 530 могут содержать моторизованное средство управления для вертикального перемещения токосъемника 535 на станине 530. Например, токосъемник 535 может содержать моторизованное средство управления, позволяющее токосъемнику перемещаться и останавливаться в любом числе мест вдоль направляющего устройства 540. Направляющее устройство 540 также может служить для направления токосъемника 535, в то время как дополнительная конструкция, такая как направляющая 545, может обеспечивать вертикальное движение токосъемника 535. Направляющая и/или токосъемник могут содержать цепной или винтовой привод, позволяющий токосъемнику 535 совершать небольшие движения вдоль станины 530. Кроме этого, станина 530 может содержать моторизованный регулятор, который может включать или иным образом приводить в движение направляющую 545, которая может регулировать высоту токосъемника 535 вдоль направляющего устройства 540. Должно быть понятно, что эти варианты осуществления являются всего лишь примерами, и настоящей технологией аналогично охватывается любое количество других возможностей обеспечения вертикального поступательного перемещения токосъемника 535.

[0052] Узел 510 крепления электрода также может содержать ферму 550, соединенную с токосъемником 535. Ферма 550 может содержать по меньшей мере один, два или более рычагов, соединенных с токосъемником 535. Как показано, ферма 550 содержит два рычага, соединенных с противоположными сторонами токосъемника 535 вокруг станины 530. Ферма 550 может соединять вертикально перемещаемый держатель 515 с токосъемником 535. Из-за размеров огнеупорного сосуда 110 и местоположения анода 520 ферма 550 может проходить одним или более способами сбоку от станины 530 в положение на относительной линии с центральной частью крышки 120. Например, как показано, ферма 550 может представлять собой или содержать изогнутую конструкцию или изогнутые компоненты, проходящие от первого конца фермы 550, соединенного с токосъемником 535, до второго конца, с которым соединен вертикально перемещаемый держатель 515. Второй конец фермы 550 может сгибаться до того места, которое позиционирует вертикально перемещаемый держатель 515 на одной линии с отверстием, таким как центральное отверстие крышки 120. В других примерах ферма 550 может содержать множество деталей, таких как L-образный или другой многодетальный элемент, включающий в себя вертикальную составляющую, а также поперечную составляющую. Например, ферма 550 может позиционировать держатель в осевом совмещении относительно вертикальной оси с отверстием крышки 120, таким как центральное отверстие 132, как описано ранее.

[0053] Хотя по всему представленному раскрытию упоминается ферма, должно быть понятно, что термин «ферма» для фермы 550 предназначен охватывать или определяться как любой несущий элемент, такой как подпорка, балка, скоба, брус, плечо, распорка или любой опорный или конструктивный элемент или элементы, которые в вариантах осуществления могут быть связаны со станиной и анодом. Хотя показана конкретная ферма, должно быть понятно, что с тем же эффектом можно использовать разные механические опоры, которые охватываются настоящей технологией аналогичным образом.

[0054] Металлургическая система 500 также может содержать электрические системы. На основании 525 системы может быть расположена катодная шина 555, которая может обеспечивать место электрического соединения с источником питания (не показан). Аналогичным образом, на станине 530 может быть расположена анодная шина 560, которая может обеспечивать место электрического соединения с источником питания (не показан). Два соединителя шины могут обеспечивать соединение металлургической системы 500 с источником электроэнергии в качестве элемента питания, позволяющего каждому электроду действовать в качестве анода или катода системы в зависимости от конкретной схемы подключения. Для работы или обеспечения движущей силы токосъемнику 535 может быть предусмотрен отдельный источник питания. Соответственно, в вариантах осуществления узел 510 крепления электродом может быть соединен с двумя источниками питания, причем первый источник питания электрически соединен через вертикально перемещаемый держатель или ферму с электродом 520, а второй источник питания электрически соединен с токосъемником.

[0055] На фиг. 6 представлен схематичный вид в перспективе иллюстративной металлургической системы 600 согласно вариантам осуществления настоящей технологии. Металлургическая система 600 может содержать некоторые или все компоненты металлургического агрегата 100, которые описаны ранее, и может содержать некоторые или все компоненты металлургической системы 500, которые описаны ранее. Например, металлургическая система 600 может содержать огнеупорный сосуд 110. Металлургическая система 600 также может содержать крышку 120, которая может быть выполнена с возможностью образования по существу герметичного уплотнения с огнеупорным сосудом 110, как описано ранее. Крышка 120 также может образовать множество отверстий, как обсуждалось выше в отношении фиг. 2. Например, крышка 120 может содержать по меньшей мере один выпускной проем 210 и может содержать по меньшей мере один впускной проем 220. Металлургическая система 600 также может содержать описанный ранее узел 510 крепления электрода.

[0056] Металлургическая система 600 также может содержать соответствующие системы для подачи и удаления материалов из огнеупорного сосуда. Например, металлургическая система 600 может содержать систему 610 выпуска, выполненную с возможностью приема или удаления материалов из огнеупорного сосуда 110. Система 610 выпуска может содержать трубопровод, соединенный с крышкой 120 на выпускном проеме 210. Как объяснялось ранее, крышка 120 может обеспечивать герметичное уплотнение с огнеупорным сосудом 110 для сдерживания получающегося пара, например, кислородсодержащих материалов, выделяющихся на аноде. Эти газообразные вещества можно удалять из огнеупорного сосуда 110 через трубопровод, соединенный с выпускным проемом 210. В вариантах осуществления трубопровод может содержать один или более клапанов, обеспечивающих регулируемое удаление газообразных веществ из огнеупорного сосуда. Например, хотя в некоторых вариантах осуществления отходящий пар может свободно вытекать из огнеупорного сосуда 110 через трубопровод, соединенный с выпускным проемом 210, в некоторых вариантах осуществления можно регулировать доступ через выпускной проем 210, чтобы он возникал с установленными интервалами, например, когда внутри огнеупорного сосуда накопилось количество газообразных веществ. Например, датчики могут выявлять нарастание внутри огнеупорного сосуда 110 давления, которое может автоматически или иным образом запускать высвобождение газа из сосуда в систему 610 выпуска.

[0057] Система 610 выпуска может содержать любое число фильтров, скрубберов или устройств обработки для способствования улавливанию и/или обработке газообразных веществ из металлургической системы 600. Например, некоторые технологические побочные продукты могут содержать кислород, который можно отфильтровать при его выходе из огнеупорного сосуда 110, а затем собирать. Система 610 выпуска может содержать отстойный бак 612, выполненный с возможностью обеспечения удаления дисперсного материала (частиц) из выпускаемых веществ. Так как во время работы может образовываться застывшая корка электролита, может быть обеспечен дополнительный доступ для пробивания корки для доступа содержащимся внутри газообразным веществам. Удаление может уносить дисперсный материал из корки или из внутренних материалов, который может осаждаться в баке 612 по мере доставки газообразных веществ через систему 610 выпуска. В других вариантах осуществления отходящие газообразные вещества могут включать в себя газы, которые можно обрабатывать по экологическим причинам или для того, чтобы улавливать более ценный продукт. Так как газообразные вещества могут выходить из огнеупорного сосуда при температурах в сотни или тысячи градусов, их тепло можно использовать, чтобы вызвать протекание обработки. Например, может быть введен каталитический конвертер с системой улавливания воздуха, который может обеспечивать выход отходящих веществ для преобразования, например, из монооксида углерода в диоксид углерода. Система 610 выпуска также может содержать аппарат для сбора монооксида углерода. Кроме этого, может быть введена горелка 614 с источником воздуха или кислорода для окисления отходящих потоков до альтернативных веществ. Система 610 выпуска также может содержать шкаф 616, который может содержать органы управления и системы подачи текучей среды для использования при сборе и/или обработке отходящих газов.

[0058] Металлургическая система 600 также может содержать систему 620 подачи, функционально связанную с одним или более впускных проемов 220. Опять же, система 620 подачи может быть соединена с крышкой 120 для сохранения герметичного уплотнения с системой. Система подачи может обеспечить доставку исходного материала в огнеупорный сосуд 110 для получения целевого материала. Например, через систему 620 подачи в огнеупорный сосуд 110 могут доставляться оксиды целевого металла. Система подачи может доставлять материал непрерывно, или же доставка может быть структурирована сообразно производству и удалению целевого материала, например, периодическая доставка или доставка партий материалов, которая может обеспечивать непрерывную работу огнеупорного сосуда 110 и металлургической системы 600. Система 620 подачи также может содержать инструмент для пробивки корки электролита перед доставкой материала в огнеупорный сосуд. В вариантах осуществления в крышке может иметься множество впускных проемов, для доставки множества материалов или доставки в разные зоны сосуда можно использовать дополнительные системы подачи.

[0059] Ранее описанные системы и устройства можно использовать в ряде способов обработки материалов. На фиг. 7 представлены выбранные операции в иллюстративном способе 700 использования металлургической системы согласно настоящей технологии. В этих способах можно использовать любые или все из ранее описанных устройств или систем во множестве различных операций от рафинирования металлов до обработки и получения сплавов и других продуктов из множества различных сырьевых материалов.

[0060] При операции 710 исходное количество материала можно поместить в огнеупорный сосуд 110. Материалы могут включать в себя по меньшей мере некоторые из металлов или металлосодержащих материалов, таких как руда, электролит, шлак, кокс, или другие огнеупорные или печные материалы. В зависимости от типа печи или способа эксплуатации электрод 140 может быть либо анодом, либо катодом, связанным с множеством токопроводящих элементов, и во время работы может иметь любую полярность. Например, при электролизе расплавленных оксидов электрод 140 может быть анодом, и ток может подаваться через анод в заключенные внутри сосуда материалы и через токопроводящие выступы 425 к токоотводу 125. При операции 720 подаваемый ток может создавать джоулев нагрев внутри огнеупорного сосуда, что может начать обработку материалов. Для выделения тепла через систему можно подавать большой ток, который может составлять сотни, тысячи или сотни тысяч ампер. Например, в вариантах осуществления ток может составлять между примерно 1000 и примерно 5000 ампер, или может составлять между примерно 5000 и примерно 10000 ампер. Ток может быть любой отдельной величины в пределах этих диапазонов, например, 4000 ампер, или может быть выше или ниже любых из указанных чисел. Выделившееся тепло может создавать в сосуде температуры, достаточные для плавки материалов внутри сосуда.

[0061] По мере плавления материалов может происходить окислительно-восстановительный процесс для разделения материалов. Например, если в подлежащих рафинированию материалах содержатся оксиды металлов, такие как, например, оксид железа, оксид алюминия и т.д., к аноду 140 могут двигаться и окисляться на нем кислородсодержащие ионы, в то время как ионы металлов двигаются к токоотводу 125 и восстанавливаются. Металл, который может образовываться на огнеупорном основании 114 во внутренней зоне 115, может быть расплавленным, отрицательно заряженным металлом и поэтому может служить катодом в процессе, принимая электроны из токопроводящих выступов токоотвода 125. При операции 730 этот отрицательно заряженный, расплавленный металл можно рафинировать в ходе процесса и выводить или извлекать из сосуда через один или более проемов 502. Ионы кислорода могут образовать на аноде 140 газообразный кислород, и в сосуде могут возникать и высвобождаться пузырьки газообразного кислорода, диоксида углерода, монооксида углерода или других газообразных веществ. Поскольку при операции 730 из системы извлекают полученный расплавленный металл, объем материала внутри огнеупорного сосуда 110 может уменьшаться. Если компоненты системы не регулировать, анод 140 может потерять контакт с материалами электролита. Соответственно, при операции 740 во время работы, а также или во время извлечения анод 140 можно модулировать по вертикали для сохранения контакта с материалами внутри огнеупорного сосуда 110. Аналогичным образом, по мере подачи дополнительного материала в огнеупорный сосуд 110 внутри сосуда уровень материала может подниматься, и анод 140 может быть поднят.

[0062] Материалы электролита, используемые в операциях обработки, можно выбирать в зависимости от получаемых материалов. В вариантах осуществления семейство электролитов, используемых для получения электролизом оксидов металлов относительно более реакционноспособных металлов, может включать в себя оксиды металлов, а также смеси оксидных веществ. Иллюстративные оксиды металлов могут включать BeO, CaO, MgO, SrO и BaO. Кроме этого, наряду с любыми другими разновидностями оксидов можно вводить оксиды Al, Si, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm или Yb. Представленную систему также можно использовать с радиоактивными металлами и любыми другими материалами, которые могут способствовать обработке согласно настоящей технологии. Пропорции оксидов, включенных в смеси электролитов, можно выбирать так, чтобы они соответствовали необходимым физическим и химическим свойствам для извлечения целевого металла электролизом расплавленных оксидов. Физические свойства могут включать то, что электролит является менее плотным, чем целевой металл или целевой сплав, когда целевой металл восстанавливают в основной сплав. В некоторых вариантах осуществления разность плотностей может составлять по меньшей мере примерно 0,2 г/см³, хотя в некоторых вариантах осуществления разность плотностей может быть больше или меньше, хотя большие значения могут облегчать разделение. Кроме этого, материалы электролита могут характеризоваться повышенной плотностью по сравнению с целевыми материалами, что может происходить, например, при обработке сплавов.

[0063] Работа систем согласно настоящей технологии может проходить в диапазоне значений, которые могут быть отчасти зависимы от обрабатываемых материалов. Например, плотности анодного и катодного тока могут иметь средние значения в диапазоне значений. Плотности катодного тока могут составлять в диапазоне от менее чем или примерно 0,3 A/см² до примерно 10 A/см² или более. Плотности анодного тока могут быть в диапазонах, частично зависящих от используемого материала анода. Например, инертные аноды могут работать в пределах меньшего диапазона плотностей тока по сравнению с графитом или другими анодными материалами. Согласно настоящей технологии, инертные материалы анода могут работать при плотностях тока от менее чем или примерно 2 A/см² до примерно 10 A/см² или более. Кроме этого, графитные материалы анода могут работать при плотностях тока от менее чем или примерно 0,5 A/см² до примерно 40 A/см² или более. Разности напряжений между материалами анода и катода могут аналогично варьировать в зависимости от материала, используемого для анода, причем инертные материалы образуют более узкое технологическое окно. Например, в комбинациях с использованием инертного материала анода разности напряжений между анодом и катодом могут составлять в диапазоне между примерно 1 В и примерно 110 В или более. Кроме этого, в комбинациях с использованием графита или другого анодного материала разности напряжений между анодом и катодом могут составлять в диапазоне между примерно 1 В и примерно 130 В или более.

[0064] В предыдущем описании в целях объяснения было изложено множество подробностей с тем, чтобы обеспечить понимание разных вариантов осуществления настоящей технологии. Однако специалисту в данной области техники должно быть ясно, что некоторые варианты осуществления можно реализовывать без некоторых из этих подробностей или с дополнительными подробностями.

[0065] После раскрытия нескольких вариантов осуществления специалистам в данной области техники должно быть ясно, что можно использовать разные модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты без отклонения от сути вариантов осуществления. Кроме этого, чтобы избежать ненужного затруднения понимания настоящей технологии, ряд хорошо известных процессов и элементов не был описан. Соответственно, вышеприведенное описание не следует воспринимать как ограничивающее объем охраны данной технологии.

[0066] При указании диапазона значений надо понимать, что, если в контексте явно не сказано иное, между верхним и нижним пределами этого диапазона также конкретно раскрыто каждое промежуточное значение, до наименьшей доли единицы нижнего предела. Охвачен любой более узкий диапазон между любыми указанными значениями или неуказанными промежуточными значениями в указанном диапазоне и любое другое указанное или промежуточное значение в этом указанном диапазоне. В диапазон можно независимо включать или исключать верхний и нижний пределы этих меньших диапазонов, и технология также охватывает каждый диапазон, где каждый, ни один или оба предела включены в меньшие диапазоны, с учетом любого специально исключенного предела в указанном диапазоне. Когда указанный диапазон включает один или оба предела, также включены диапазоны с исключенным каждым или обоими этими включенными пределами. Когда списком представлено множество значений, аналогичным образом конкретно раскрыт любой диапазон, охватывающий или основанный на любом из этих значений.

[0067] В рамках изобретения и в приложенной формуле изобретения, если в контексте явно не сказано иное, формы единственного числа включаю формы множественного числа. Таким образом, например, ссылка на «материал» включает в себя множество таких материалов, а ссылка на «ванну» включает в себя ссылку на одну или более ванн и их эквивалентов, известных специалистам в данной области техники, и так далее.

[0068] Также, слова «содержать (содержит)», «содержащий», «вмещают (вмещает)», «вмещающий», «включать (включает)» и «имеющий», при использовании в этом описании и в последующей формуле изобретения предназначены указывать на наличие указанных признаков, предметов, компонентов или операций, но они не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, предметов, компонентов, операций, действий или групп.

Группа изобретения относится к металлургическому агрегату и системам для выполнения электролиза расплавленных оксидов. Металлургический агрегат содержит огнеупорный сосуд, имеющий боковые стороны и основание, крышку, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом, причем крышка образует множество сквозных отверстий, и токоотвод, смежный с основанием огнеупорного сосуда. Основание образует множество отверстий, находящихся по центру внутри основания, а токоотвод содержит токопроводящие выступы, расположенные внутри упомянутого множества отверстий, находящихся по центру внутри основания. Боковые стороны и основание по меньшей мере частично образуют внутренний объем огнеупорного сосуда. Огнеупорный сосуд содержит по меньшей мере два слоя материала, причем внешний слой содержит изоляционный материал, и при этом внутренний слой содержит материал, выполненный химически совместимым с электролитом, содержащимся во внутреннем объеме огнеупорного сосуда. Обеспечивается использование тепла отходящих газов в процессе обработки расплава и облегчение непрерывной обработки. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Металлургический агрегат для выполнения электролиза расплавленных оксидов, содержащий:

огнеупорный сосуд, имеющий боковые стороны и основание, причем основание образует множество отверстий, находящихся по центру внутри основания, при этом боковые стороны и основание по меньшей мере частично образуют внутренний объем огнеупорного сосуда, причем огнеупорный сосуд содержит по меньшей мере два слоя материала, причем внешний слой содержит изоляционный материал, и при этом внутренний слой содержит материал, выполненный химически совместимым с электролитом, содержащимся во внутреннем объеме огнеупорного сосуда;

крышку, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом, причем крышка образует множество сквозных отверстий; и

токоотвод, смежный с основанием огнеупорного сосуда, причем токоотвод содержит токопроводящие выступы, расположенные внутри упомянутого множества отверстий, находящихся по центру внутри основания.

2. Металлургический агрегат по п. 1, дополнительно содержащий газонепроницаемое уплотнение, установленное вокруг первого отверстия из упомянутого множества образованных в крышке сквозных отверстий, причем газонепроницаемое уплотнение выполнено с возможностью приема и пропускания подвижного анода через газонепроницаемое уплотнение и образованное в крышке первое сквозное отверстие.

3. Металлургический агрегат по п. 2, в котором газонепроницаемое уплотнение выполнено с возможностью ограничения высвобождения газа из огнеупорного сосуда через первое отверстие из упомянутого множества образованных в крышке сквозных отверстий.

4. Металлургический агрегат по п. 1, в котором упомянутое множество образованных в крышке сквозных отверстий содержит выпускное отверстие, подобранное по размерам для распределения газа из огнеупорного сосуда, и впускное отверстие, подобранное по размерам для распределения материала в огнеупорный сосуд.

5. Металлургический агрегат по п. 1, в котором огнеупорный сосуд содержит порошковый слой, по меньшей мере частично образующий боковые стенки огнеупорного сосуда, и слой совместимости, образующий основание огнеупорного сосуда, и при этом слой совместимости также по меньшей мере частично образует боковые стенки огнеупорного сосуда.

6. Металлургический агрегат по п. 1, в котором огнеупорный сосуд дополнительно содержит промежуточный слой материала, расположенный с образованием по меньшей мере части внутреннего объема огнеупорного сосуда.

7. Металлургический агрегат по п. 1, в котором внутренний слой характеризуется удельной теплопроводностью ниже или примерно 25 Вт/(м⋅K).

8. Металлургический агрегат по п. 1, в котором изоляционный материал характеризуется удельной теплопроводностью ниже или примерно 5 Вт/(м⋅K).

9. Металлургическая система для выполнения электролиза расплавленных оксидов, содержащая:

металлургический агрегат по любому из пп. 1-8; и

узел крепления электрода, причем узел крепления электрода содержит:

вертикально перемещаемый держатель, при этом вертикально перемещаемый держатель выполнен с возможностью сопряжения с электродом и электрического соединения электрода с источником питания;

станину, причем станина содержит вертикальное направляющее устройство, и

токосъемник, подвижно соединенный с вертикальным направляющим устройством.

10. Металлургическая система по п. 9, дополнительно содержащая основание системы, содержащее платформу, на которой поддерживается огнеупорный сосуд.

11. Металлургическая система по п. 10, дополнительно содержащая токоотвод, расположенный между платформой и основанием системы, причем токоотвод механически соединен с огнеупорным сосудом.

12. Металлургическая система по п. 9, в которой узел крепления электрода дополнительно содержит ферму, соединяющую вертикально перемещаемый держатель с токосъемником.

13. Металлургическая система по п. 12, в которой ферма представляет собой изогнутую ферму, проходящую от первого конца на токосъемнике до второго конца, с которым соединен вертикально перемещаемый держатель.

14. Металлургическая система по п. 13, в котором второй конец изогнутой фермы позиционирует вертикально перемещаемый держатель в осевом совмещении относительно вертикальной оси с отверстием крышки, съемно сопряженной с огнеупорным сосудом и выполненной с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом, причем крышка образует множество сквозных отверстий.

15. Металлургическая система по п. 9, дополнительно содержащая первый источник питания, электрически соединенный с электродом посредством вертикально перемещаемого держателя, и второй источник питания, электрически соединенный с токосъемником.

16. Металлургическая система по п. 9, в которой электрод является анодом, причем первый конец анода проходит во внутреннем объеме, образованном огнеупорным сосудом, и при этом дистальная часть анода сопряжена с вертикально перемещаемым держателем.

17. Металлургическая система для выполнения электролиза расплавленных оксидов, содержащая:

огнеупорный сосуд, имеющий основание, причем основание образует множество отверстий, находящихся по центру внутри основания, причем огнеупорный сосуд содержит по меньшей мере два слоя материала, причем внешний слой содержит изоляционный материал, и при этом внутренний слой содержит материал, выполненный химически совместимым с электролитом, содержащимся во внутреннем объеме огнеупорного сосуда;

токоотвод, смежный с основанием огнеупорного сосуда, причем токоотвод содержит токопроводящие выступы, расположенные внутри упомянутого множества отверстий, находящихся по центру внутри основания;

крышку, съемно сопряженную с огнеупорным сосудом и выполненную с возможностью образования уплотнения с огнеупорным сосудом, причем крышка образует множество сквозных отверстий, и при этом первое отверстие из упомянутого множества отверстий содержит выпускной проем;

узел крепления электрода; и

систему выпуска, соединенную с выпускным проемом крышки, причем система выпуска выполнена с возможностью окисления отходящих потоков, принимаемых из огнеупорного сосуда.

18. Металлургическая система по п. 17, в которой второе отверстие из упомянутого множества образованных в крышке сквозных отверстий содержит впускной проем, и при этом металлургическая система дополнительно содержит систему подачи, соединенную с впускным проемом и выполненную с возможностью подачи материала в огнеупорный сосуд.