[发明专利]用于电冶炼反应器的侧壁和底部电极布置以及用于进给该电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于电冶炼反应器的侧壁和底部电极布置，以及用于进给这种电极的方法。

背景技术

金属铝通常通过两种技术进行生产：传统的霍尔(Hall)方法，其中电流在两个电极之间穿过以将氧化铝还原成金属铝；以及碳热还原法，其中氧化铝通过与碳发生化学反应而化学还原成铝。进行如下式所示的铝的整个碳热还原反应：

Al₂O₃+3C→2Al+3CO  (1)

或可通过一系列化学反应进行，比如：

2Al₂O₃+9C→Al₄C₃+6CO(蒸气)(2)

Al₄C₃+Al₂O₃→6Al+3CO(蒸气)(3)

Al₂O₃+2C→Al₂O(蒸气)+2CO(蒸气)(4)

Al₂O₃+4Al→3Al₂O(蒸气)(5)

Al→Al(蒸气)(6)

反应(2)通常称为产渣步骤，经常在1875℃到2000℃之间的温度下发生。反应(3)通常称为产铝步骤，经常在大约2050℃以上的温度下发生。铝蒸气种类虽然可通过反应(4)、(5)和(6)形成，但也可在反应(2)和(3)期间形成。

发明内容

本发明涉及改进的碳热反应器，该碳热反应器具有将电极进给至反应器中的改进方法、系统和装置。

在一些电冶炼反应器工序中，有时最好、或甚至必须使用穿过反应器侧壁或穿过反应器底部、并插进容纳在反应器中的熔融材料内的电极，所述熔融材料比如为液态渣、金属、合金或熔盐。例如，美国专利号6,440,193描述的通过碳热还原氧化铝来生产铝的方法就属于这种情况。在该专利描述的工序中，通过穿过反应器侧壁插进渣层中的电极来将能量输送到反应器的高温室中。在美国专利6,440,193公开的方法中，高温室具有下方的熔渣层和上方的熔融铝层。因为上层的熔融铝会使电极发生短路，所以不可能在该高温室中使用从上方插入的竖直电极。因此，必须使用穿进渣层的侧壁电极或底部电极。

通常，用于电冶炼反应器的电极是自耗碳电极，比如石墨或预焙碳电极。当使用自耗电极时，为了补偿电极消耗，必须时时将电极进给至反应器内部中。电极必须以密封的方式穿过反应器侧壁或底部，以防止液体材料从反应器渗出，且电极密封也必须允许在不让液体材料透过电极密封的情况下进给电极。

一些液体材料(比如废渣)非常具有侵蚀性，其会侵蚀已知的耐火内衬。因此，在高温下操作的反应器经常具有固态渣的冷冻内衬，以用于保护反应器壁和底部。因此，通过碳热还原氧化铝来生产铝的反应器至少在计划被熔渣覆盖的区域上，优选由冷却金属板、特别是冷却铜板制成，其中，控制或调节板的冷却以在冷却板的内部提供和维持一个冻结渣防护层。

已发现对于由冷却板制成的侧壁和底部和由耐火材料制成的常规侧壁和底部，都非常难以将电极穿过反应器侧壁和底部插入以产生和维持电极和冷却板之间的可靠密封并能够在渣没有通过电极开口泄漏的风险下进给电极。

根据一个方面，本发明涉及用于侧壁的电极布置、和/或用于计划用来容纳液体材料的冶金反应器的电极，其中，至少一个自耗电极通过位于反应器侧壁或底部中的开口穿过反应器的侧壁或底部插入，该电极布置的特征在于其包括：用于将工作电流传导到电极的接触夹，所述电流夹围绕电极放置且具有用于循环冷却介质的内部沟道并具有向内呈锥形的部分；电隔离环，其插进反应器的侧壁或底部的开口和电极的表面之间，以产生电极的表面和反应器的侧壁或底部之间的密封；以及用于将电流夹压靠在隔离环上的装置。

根据本发明的一个实施例，电流夹的前面部分延伸进位于电极的表面和隔离环之间的开口中。

根据另一个优选实施例，用于将电流夹压靠在隔离环上的装置包括钢环，该钢环围绕电极放置并固定到反应器的侧壁或底部的外面，所述钢环具有向外呈锥形的开口，且其中电流夹具有被压进钢环的开口中的、相应地向内呈锥形的外表面。

根据再一个优选实施例，反应器的侧壁和/或底部由冷却金属板组成，其中钢环固定到冷却金属板。

本发明的电极布置可提供安全的密封，防止反应器中的液体材料透过电极密封。