專利名稱：用于電冶煉反應(yīng)器的側(cè)壁和底部電極布置以及用于進(jìn)給該電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電冶煉反應(yīng)器的側(cè)壁和底部電極布置，以及用于進(jìn)給這種電極的方法。
背景技術(shù)：
金屬鋁通常通過兩種技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)傳統(tǒng)的霍爾(Hall)方法，其中電流在兩個電極之間穿過以將氧化鋁還原成金屬鋁；以及碳熱還原法，其中氧化鋁通過與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而化學(xué)還原成鋁。進(jìn)行如下式所示的鋁的整個碳熱還原反應(yīng)A1203+3C — 2A1+3C0 (1)或可通過一系列化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，比如2A1203+9C — A14C3+6C0 (蒸氣)(2)A14C3+A1203 — 6A1+3C0 (蒸氣)(3)A1203+2C — Al2O (蒸氣)+2C0 (蒸氣)(4)A1203+4A1 — 3A120 (蒸氣)(5)Al — Al (蒸氣)(6)反應(yīng)(2)通常稱為產(chǎn)渣步驟，經(jīng)常在1875°C到2000°C之間的溫度下發(fā)生。反應(yīng) (3)通常稱為產(chǎn)鋁步驟，經(jīng)常在大約2050°C以上的溫度下發(fā)生。鋁蒸氣種類雖然可通過反應(yīng)(4)、(5)和(6)形成，但也可在反應(yīng)(2)和(3)期間形成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及改進(jìn)的碳熱反應(yīng)器，該碳熱反應(yīng)器具有將電極進(jìn)給至反應(yīng)器中的改進(jìn)方法、系統(tǒng)和裝置。在一些電冶煉反應(yīng)器工序中，有時最好、或甚至必須使用穿過反應(yīng)器側(cè)壁或穿過反應(yīng)器底部、并插進(jìn)容納在反應(yīng)器中的熔融材料內(nèi)的電極，所述熔融材料比如為液態(tài)渣、金屬、合金或熔鹽。例如，美國專利號6，440，193描述的通過碳熱還原氧化鋁來生產(chǎn)鋁的方法就屬于這種情況。在該專利描述的工序中，通過穿過反應(yīng)器側(cè)壁插進(jìn)渣層中的電極來將能量輸送到反應(yīng)器的高溫室中。在美國專利6，440，193公開的方法中，高溫室具有下方的熔渣層和上方的熔融鋁層。因為上層的熔融鋁會使電極發(fā)生短路，所以不可能在該高溫室中使用從上方插入的豎直電極。因此，必須使用穿進(jìn)渣層的側(cè)壁電極或底部電極。通常，用于電冶煉反應(yīng)器的電極是自耗碳電極，比如石墨或預(yù)焙碳電極。當(dāng)使用自耗電極時，為了補(bǔ)償電極消耗，必須時時將電極進(jìn)給至反應(yīng)器內(nèi)部中。電極必須以密封的方式穿過反應(yīng)器側(cè)壁或底部，以防止液體材料從反應(yīng)器滲出，且電極密封也必須允許在不讓液體材料透過電極密封的情況下進(jìn)給電極。一些液體材料(比如廢渣)非常具有侵蝕性，其會侵蝕已知的耐火內(nèi)襯。因此，在高溫下操作的反應(yīng)器經(jīng)常具有固態(tài)渣的冷凍內(nèi)襯，以用于保護(hù)反應(yīng)器壁和底部。因此，通過碳熱還原氧化鋁來生產(chǎn)鋁的反應(yīng)器至少在計劃被熔渣覆蓋的區(qū)域上，優(yōu)選由冷卻金屬板、 特別是冷卻銅板制成，其中，控制或調(diào)節(jié)板的冷卻以在冷卻板的內(nèi)部提供和維持一個凍結(jié)渣防護(hù)層。已發(fā)現(xiàn)對于由冷卻板制成的側(cè)壁和底部和由耐火材料制成的常規(guī)側(cè)壁和底部，都非常難以將電極穿過反應(yīng)器側(cè)壁和底部插入以產(chǎn)生和維持電極和冷卻板之間的可靠密封并能夠在渣沒有通過電極開口泄漏的風(fēng)險下進(jìn)給電極。

根據(jù)一個方面，本發(fā)明涉及用于側(cè)壁的電極布置、和/或用于計劃用來容納液體材料的冶金反應(yīng)器的電極，其中，至少一個自耗電極通過位于反應(yīng)器側(cè)壁或底部中的開口穿過反應(yīng)器的側(cè)壁或底部插入，該電極布置的特征在于其包括用于將工作電流傳導(dǎo)到電極的接觸夾，所述電流夾圍繞電極放置且具有用于循環(huán)冷卻介質(zhì)的內(nèi)部溝道并具有向內(nèi)呈錐形的部分；電隔離環(huán)，其插進(jìn)反應(yīng)器的側(cè)壁或底部的開口和電極的表面之間，以產(chǎn)生電極的表面和反應(yīng)器的側(cè)壁或底部之間的密封；以及用于將電流夾壓靠在隔離環(huán)上的裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電流夾的前面部分延伸進(jìn)位于電極的表面和隔離環(huán)之間的開口中。根據(jù)另一個優(yōu)選實施例，用于將電流夾壓靠在隔離環(huán)上的裝置包括鋼環(huán)，該鋼環(huán)圍繞電極放置并固定到反應(yīng)器的側(cè)壁或底部的外面，所述鋼環(huán)具有向外呈錐形的開口，且其中電流夾具有被壓進(jìn)鋼環(huán)的開口中的、相應(yīng)地向內(nèi)呈錐形的外表面。根據(jù)再一個優(yōu)選實施例，反應(yīng)器的側(cè)壁和/或底部由冷卻金屬板組成，其中鋼環(huán)固定到冷卻金屬板。本發(fā)明的電極布置可提供安全的密封，防止反應(yīng)器中的液體材料透過電極密封。當(dāng)反應(yīng)器的側(cè)壁和/或底部由冷卻金屬板組成時，在反應(yīng)器操作期間將在冷卻板上形成一層反應(yīng)器中材料的凍結(jié)層，該材料的凍結(jié)層將延伸到隔離環(huán)的面對反應(yīng)器內(nèi)部的一側(cè)并延伸到電極的表面，從而保護(hù)電極密封。本發(fā)明的側(cè)壁電極可以是水平的、或和水平面成一角度。本發(fā)明的底部電極優(yōu)選是豎直的。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于進(jìn)給放置在容納液體材料的冶金反應(yīng)器的側(cè)壁和/或底部中的自耗電極的方法，其中，電極通過連接到該電極的電極進(jìn)給缸進(jìn)給，該方法的特征在于基于在將電極插進(jìn)反應(yīng)器的側(cè)壁或底部處側(cè)壁或底部中或側(cè)壁或底部附近的溫度升高來實現(xiàn)電極的進(jìn)給。根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例，其中反應(yīng)器的側(cè)壁和/或底部由冷卻金屬板制成，且其中材料的凍結(jié)層在冷卻金屬板的內(nèi)部形成，所述電極的進(jìn)給基于以下方式來進(jìn)行當(dāng)電極的尖端朝側(cè)壁和/或底部移動到已至少部分熔化凍結(jié)渣層的程度時，在電極進(jìn)給缸上施加使凍結(jié)渣層破裂的壓力。在一個方面中，本發(fā)明的特征在于一種冶金反應(yīng)器，其包括(i)殼體，其包括側(cè)壁和底部，其中所述殼體適于容納熔融材料；(ii)至少一個自耗電極，其穿過所述殼體的開口伸出并伸入熔融材料中，其中所述開口位于所述殼體的側(cè)壁或底部；(iii)電流接觸夾，其設(shè)置成用于將工作電流傳導(dǎo)到所述電極，其中所述電流夾與所述電極接觸，且其中所述電流夾包括至少一個內(nèi)部溝道，其中所述內(nèi)部溝道設(shè)置成用于循環(huán)冷卻介質(zhì)；和(iv)電隔離環(huán)，其布置在所述電極和所述殼體的開口之間，其中所述電隔離環(huán)設(shè)置成用于密封地接合所述電極和所述開口，以限制所述熔融材料流出所述殼體。在一個實施例中，電流夾的前面部分延伸進(jìn)入位于電極的表面和隔離環(huán)之間的開口中。在一個實施例中，反應(yīng)器包括鋼環(huán)，該鋼環(huán)圍繞電極放置并固定到反應(yīng)器的側(cè)壁或者底部的外部，其中鋼環(huán)具有第一配合表面，其中，電流夾具有相應(yīng)的第二配合表面，其中，當(dāng)電流夾的第二配合表面接合鋼環(huán)的第一配合表面時，在電流夾的至少前面部分上實現(xiàn)壓縮力。在一個實施例中，反應(yīng)器的側(cè)壁和底部中的至少一個包括至少一個冷卻金屬板。在一個實施例中，鋼環(huán)固定到至少一個冷卻金屬板。



圖1是本發(fā)明的電極布置的第一實施例的豎直剖面圖。圖2是圖1中A區(qū)域的放大視圖。圖3是本發(fā)明的電極布置的第二實施例的豎直剖面圖。
具體實施例圖1顯示冶金反應(yīng)器側(cè)壁的一部分，該冶金反應(yīng)器計劃用于容納液態(tài)渣且具有由冷卻銅板1組成的側(cè)壁。水平的自耗電極2穿過冷卻板1的開口3插進(jìn)反應(yīng)器的內(nèi)部。反應(yīng)器計劃用于容納液態(tài)渣(比如Al3C4-Al2O3)和熔融金屬(比如金屬鋁)。電極2是由石墨或預(yù)焙碳制成的自耗電極。密封和電隔離環(huán)4插在開口 3中，在電極2和隔離環(huán)4之間形成環(huán)形開口。隔離環(huán)4由耐高溫的耐火材料制成，比如氧化鋁耐火材料或具有電隔離性能的任何其它合適耐火材料。電流夾5由銅或銅合金制成并具有用于循環(huán)冷卻介質(zhì)的內(nèi)部溝道，該電流夾5圍繞電極2放置。電流夾5具有向內(nèi)呈錐形的部分并被壓進(jìn)電極2和隔離環(huán)4之間的開口 3 中，以密封側(cè)壁、防止計劃容納在反應(yīng)器中的熔融材料泄漏。電流導(dǎo)體6用于把工作電流從電源(未顯示)傳導(dǎo)到電極2，該電流導(dǎo)體6連接到電流夾5。電流導(dǎo)體6呈管的形式，用于將冷卻介質(zhì)輸送到電流夾5。電流夾5以下面的方式被壓進(jìn)隔離環(huán)4和電極2之間的開口 3中具有向外呈錐形的內(nèi)表面的鋼環(huán)7通過螺栓8固定到板1。螺栓與板1隔開。電流夾5通過第二鋼環(huán)9 被壓靠在電極2和鋼環(huán)7上，該第二鋼環(huán)9通過螺栓10固定到板1。電隔離環(huán)11插在電流夾5和第二鋼環(huán)9之間。通過擰緊螺栓10，以足夠大的預(yù)設(shè)密封力將電流夾5壓靠在電極 2和鋼環(huán)7上以密封側(cè)壁，并在電極2和電流夾5之間提供足夠的電接觸壓力。為了進(jìn)給自耗電極2，電極進(jìn)給缸13、14通過螺栓15或類似物固定到板1。電極進(jìn)給缸13、14通過電極夾緊環(huán)16連接到電極2，該電極夾緊環(huán)16可夾在電極2的外表面上。電極夾緊環(huán)16可以是常規(guī)的液壓缸或彈簧包。電極夾緊環(huán)16通過螺栓螺母連接而固定到電極進(jìn)給缸13、14。更特別地，現(xiàn)參考圖2，電極進(jìn)給缸14上的外凸緣20通過螺栓21和螺母22連接而固定到電極夾緊環(huán)16的外面部分。為了將電極夾緊環(huán)16和電極進(jìn)給缸14隔離，將隔離襯套23插進(jìn)用于螺栓21的鉆孔中，與隔離部件24、25—起作用。最后，將隔離環(huán)26放置在電極進(jìn)給缸14和電極夾緊環(huán)16之間。類似的布置也可用于其它連接螺栓(比如任何螺栓8、 10、15)。也可使用其它螺栓連接布置。圖3顯示本發(fā)明電極的第二實施例。圖3中和圖1對應(yīng)的部件將使用相同的附圖標(biāo)記。圖3的實施例和圖1的實施例存在兩方面區(qū)別。首先，電流夾5沒有延伸進(jìn)銅板1中的開口 3內(nèi)。在圖3的實施例中，電極和板1 之間的密封由隔離環(huán)4組成，且電流夾5被壓靠在鋼環(huán)7和隔離環(huán)4。電極密封的這個實施例比圖1中的實施例更容易實施。其次，電極進(jìn)給缸13、14連接到裝置30，該裝置30適于將電極的后部推進(jìn)反應(yīng)器中。裝置30包括帶螺紋32的接頭31，該接頭31擰進(jìn)電極2后端內(nèi)的螺紋凹槽中。圖3顯示的接頭31是錐形的，但也可以是圓柱形的。當(dāng)電極進(jìn)給缸13、14開動時，裝置30開動并壓在電極的后部上，由此將電極尖端的一部分進(jìn)一步移進(jìn)反應(yīng)器中。即使上文針對由冷卻金屬板組成的反應(yīng)器側(cè)壁描述了本發(fā)明，相同的設(shè)置仍可應(yīng)用到具有常規(guī)耐火內(nèi)襯的反應(yīng)器側(cè)壁和底部。在操作所描述的反應(yīng)器時，由于板1的冷卻，會在冷卻板1的內(nèi)側(cè)(即板的面對反應(yīng)器內(nèi)部一側(cè))產(chǎn)生凍結(jié)渣層。在圖1的實施例中，這個凍結(jié)渣層延伸跨過隔離環(huán)4、電流夾5的內(nèi)端部到達(dá)電極2，并且至少部分地輔助實現(xiàn)電極和銅冷卻板1之間的密封。在圖3 的實施例中，凍結(jié)渣層將延伸跨過隔離環(huán)到達(dá)電極2，同樣地至少部分地輔助實現(xiàn)電極2和冷卻板1之間的密封。電極2在反應(yīng)器的操作期間被消耗，電極尖端12將緩慢地朝反應(yīng)器的側(cè)壁移動。 因此，隨著電極尖端12越來越移近冷卻板1，電極2將時時地被進(jìn)給至反應(yīng)器中。由于電極尖端12處的溫度很高，緊鄰電極密封處的溫度將上升。在一些實施例中，電極的電極尖端 12處的熱量可部分熔化接近電極2的凍結(jié)渣層。在一個實施例中，電極2的進(jìn)給基于該溫度的上升。在一個相關(guān)的實施例中，通過在電極進(jìn)給缸13、14上施加足夠使剩余凍結(jié)渣層破裂的壓力，由此使電極2被進(jìn)給至反應(yīng)器中(比如以預(yù)定的長度)，從而完成電極2的進(jìn)給。在進(jìn)給電極后，釋放電極夾緊環(huán)16上的壓力，將電極進(jìn)給缸13、14和電極夾緊環(huán)16縮回并加壓，以用于電極2的下一次進(jìn)給循環(huán)。由于電極尖端12通過電極的進(jìn)給已進(jìn)一步遠(yuǎn)離反應(yīng)器壁，因此電極2的表面和冷卻板1之間會生成新的凍結(jié)渣層。通過這種方式，可在不泄漏熔渣的情況下安全進(jìn)給電極2。
權(quán)利要求
1.一種冶金反應(yīng)器，其包括殼體，所述殼體包括側(cè)壁和底部，其中所述殼體適于容納熔融材料； 至少一個自耗電極，所述自耗電極穿過所述殼體的開口伸出并伸入熔融材料中，其中所述開口位于所述殼體的所述側(cè)壁或所述底部；電流接觸夾，所述電流接觸夾設(shè)置成用于將工作電流傳導(dǎo)到所述電極； 其中所述電流夾與所述電極接觸；和其中所述電流夾包括至少一個內(nèi)部溝道，其中所述內(nèi)部溝道設(shè)置成用于循環(huán)冷卻介質(zhì)；電隔離環(huán)，所述電隔離環(huán)布置在所述電極和所述殼體的所述開口之間，其中所述電隔離環(huán)設(shè)置成用于密封地接合所述電極和所述開口，以限制所述熔融材料流出所述殼體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述電流夾的前面部分延伸進(jìn)位于所述電極的表面和所述電隔離環(huán)之間的開口中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其包括鋼環(huán)，所述鋼環(huán)圍繞所述電極放置并固定到所述反應(yīng)器的所述側(cè)壁的外側(cè)或者所述底部的外側(cè)；其中，所述鋼環(huán)具有第一配合表面；和其中，所述電流夾具有相應(yīng)的第二配合表面；其中，當(dāng)所述電流夾的所述第二配合表面接合所述鋼環(huán)的所述第一配合表面時，在所述電流夾的至少所述前面部分上實現(xiàn)壓縮力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器的所述側(cè)壁和所述底部中的至少一個包括至少一個冷卻金屬板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其中所述鋼環(huán)固定到至少一個冷卻金屬板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述熔融材料包括渣和金屬鋁中的至少一種。
7.一種用于進(jìn)給放置在容納液體材料的冶金反應(yīng)器的側(cè)壁和/或底部中的自耗電極的方法，其中所述電極通過連接到所述電極的電極進(jìn)給缸進(jìn)給，其中基于在將所述電極插進(jìn)所述反應(yīng)器的所述側(cè)壁或底部處所述側(cè)壁或底部中或所述側(cè)壁或底部附近的溫度升高來實現(xiàn)所述電極的進(jìn)給。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述反應(yīng)器的所述側(cè)壁和/或所述底部由冷卻金屬板制成，且其中在所述冷卻金屬板的內(nèi)側(cè)形成材料的凍結(jié)層，所述電極的進(jìn)給基于以下方式來進(jìn)行當(dāng)所述電極的尖端朝所述側(cè)壁和/或所述底部移動到使凍結(jié)渣層已至少部分熔化的程度時，在所述電極進(jìn)給缸上施加足夠使所述凍結(jié)渣層破裂的壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有冷卻能力和電極進(jìn)給能力的冶金反應(yīng)器。該反應(yīng)器可包括具有側(cè)壁和底部的殼體，其中該殼體適于容納熔融材料。反應(yīng)器可包括至少一個自耗電極，該電極穿過殼體的開口伸出并伸入熔融材料中。反應(yīng)器可包括電流接觸夾，該電流接觸夾設(shè)置成用于將工作電流傳導(dǎo)到該電極，其中電流夾包括至少一個內(nèi)部溝道，其中該內(nèi)部溝道設(shè)置成用于循環(huán)冷卻介質(zhì)。反應(yīng)器可包括布置在電極和殼體的開口之間的電隔離環(huán)，其中該電隔離環(huán)設(shè)置成用于密封地接合電極和開口，由此限制熔融材料流出殼體。
文檔編號C22B4/08GK102159734SQ200880131116
公開日2011年8月17日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者C·約爾根森, H·哈蘭, J·E·赫斯塔, J·布林克, O-T·韋格 申請人:埃爾凱姆公司, 美鋁公司