保護(hù)電解槽側(cè)壁的系統(tǒng)與方法
【專利說明】保護(hù)電解槽側(cè)壁的系統(tǒng)與方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本專利申請是非臨時(shí)性的，要求2014年9月10日提交的美國專利申請?zhí)?62/048, 391的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 傳統(tǒng)上，電解槽的側(cè)壁由熱傳導(dǎo)材料構(gòu)成，以沿著整個(gè)側(cè)壁（和槽浴的上表面）形 成冷幫（frozen ledge)從而維持電解槽的完整性。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 廣義上，本公開涉及電解槽的側(cè)壁特征（如：內(nèi)部側(cè)壁或熱表面），其在電解槽的 操作中（如：在電解槽中生產(chǎn)金屬）保護(hù)側(cè)壁免受電解浴影響。更具體地，在沒有沿整個(gè)內(nèi) 部側(cè)壁或者一部分內(nèi)部側(cè)壁的冷幫的情況下，內(nèi)部側(cè)壁特征提供與電解槽中的金屬、浴和/ 或蒸氣的直接接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 通過本公開的各種實(shí)施方案，用本公開的一個(gè)或者多個(gè)側(cè)壁實(shí)施方案至少部分地 替代電解槽側(cè)壁。
[0006] 在一些實(shí)施方案中，提供了一種穩(wěn)定的側(cè)壁材料，通過使槽浴（bath)化學(xué)組成中 的一種或多種成分維持在特定的飽和度百分比，使得該側(cè)壁材料在熔融電解液（如槽?。?中是穩(wěn)定的（例如基本上是非反應(yīng)性的）。在一些實(shí)施方案中，在電解槽中通過至少一個(gè) 進(jìn)料裝置（例如沿著側(cè)壁定位）維持槽浴化學(xué)組成，該進(jìn)料裝置向電解槽中提供進(jìn)料（例 如該進(jìn)料保持為位于電解槽側(cè)壁附近的保護(hù)沉積物）。在一些實(shí)施方案中，該保護(hù)沉積物 向槽?。ɡ缦蚓o鄰側(cè)壁的槽浴中）提供至少一種槽浴成分（例如氧化鋁）。作為一個(gè)非 限制性實(shí)例，隨著保護(hù)沉積物慢慢溶解，鄰近側(cè)壁的槽浴化學(xué)組成處于或接近該槽浴成分 的飽和度，從而保護(hù)側(cè)壁免于因與熔融電解液/槽浴相互作用而溶解（例如溶解/侵蝕）。 在一些實(shí)施方案中，對于特定的槽浴成分（例如氧化鋁）槽浴的百分比飽和度在電解槽運(yùn) 行條件下（例如溫度、槽浴比率、和槽浴化學(xué)組成和/或含量）是進(jìn)料濃度（例如氧化鋁） 的函數(shù)。
[0007] 在一些實(shí)施方案中，本公開的側(cè)壁相比于傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)材料封裝提供如下能量節(jié) ?。褐辽偌s5 % ;至少約10% ;至少約15% ;至少約20% ;至少約25% ;或至少約30%。
[0008] 在一些實(shí)施方案中，熱通量（即，在電解槽運(yùn)行期間跨電解槽側(cè)壁的熱量損失） 為：不大于約8kW/m 2;不大于約4kW/m2;不大于約3kW/m2;不大于約2kW/m2;不大于約IkW/ m2;不大于約 0. 75kW/m2。
[0009] 在一些實(shí)施方案中，熱通量（即，在電解槽運(yùn)行期間跨電解槽側(cè)壁的熱量損失） 為：至少約8kW/m 2;至少約4kW/m2;至少約3kW/m2;至少約2kW/m2;至少約lkW/m 2;至少約 0. 75kff/m2〇
[0010] 與此形成鮮明對比的是，市售的霍爾槽運(yùn)行時(shí)具有約8-15kW/m2的跨側(cè)壁的熱通 量。
[0011] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：電解槽，該電解槽配置為保 持熔融電解液槽浴，該槽浴包括至少一種槽浴成分，該電解槽包括：底部（例如陰極或金屬 墊）和側(cè)壁，該側(cè)壁基本上由所述至少一種槽浴成分構(gòu)成；和進(jìn)料系統(tǒng)，該進(jìn)料系統(tǒng)配置為 將包括所述至少一種槽浴成分的進(jìn)料加入到熔融電解液槽浴中，使得該至少一種槽浴成分 在飽和度的約5 %內(nèi)，其中，通過所述進(jìn)料，使得側(cè)壁在熔融電解液槽浴中穩(wěn)定。
[0012] 在一些實(shí)施方案中，槽浴包含的進(jìn)料（例如氧化鋁）含量超過其飽和度極限（例 如使得在槽浴中存在微粒）。
[0013] 在一些實(shí)施方案中，槽浴成分（例如氧化鋁）包含如下平均槽浴含量：在飽和度的 約5%內(nèi)；在飽和度的約2%內(nèi)；在飽和度的約1%內(nèi)；在飽和度的約0.5%內(nèi)；處于飽和；或 高于飽和（例如在槽浴中存在槽浴成分的未溶解微粒）。
[0014] 在一些實(shí)施方案中，槽浴成分的飽和為：飽和度的至少約95% ;飽和度的至少約 96% ;飽和度的至少約97% ;飽和度的至少約98% ;飽和度的至少約99% ;處于100%飽和 度；或高于飽和度（例如在槽浴中存在槽浴成分的未溶解微粒）。
[0015] 在一些實(shí)施方案中，槽浴成分的飽和為：飽和度的不大于約95%;飽和度的不大于 約96% ;飽和度的不大于約97% ;飽和度的不大于約98% ;飽和度的不大于約99% ;飽和 度的不大于100%。
[0016] 在一些實(shí)施方案中，側(cè)壁成分包含高于電解液槽浴中的一定飽和度閾值的飽和度 百分?jǐn)?shù)（例如對于電解槽工作參數(shù)）。
[0017] 在一些實(shí)施方案中（例如當(dāng)側(cè)壁成分是氧化鋁時(shí)），通過LECO分析法分析測定氧 化鋁的飽和度（即平均飽和度％)。在一些實(shí)施方案中（即側(cè)壁材料不是氧化鋁時(shí)，例如 Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La 和 Ce)，利用 AA、ICP、XRF 和 / 或它們的組 合以及其它常見的公認(rèn)分析方法來量化平均飽和度％。在一些實(shí)施方案中，確定穩(wěn)定材料 的飽和度％的分析方法包括與該分析方法有關(guān)的校正誤差（例如LECO測量方法具有通常 +/-5%的誤差率）。
[0018] 在一些實(shí)施方案中，側(cè)壁成分在槽浴中以如下平均％飽和度含量存在：飽和度的 至少70 %;飽和度的至少75 %;飽和度的至少80 %;飽和度的至少85 %;飽和度的至少90 %; 飽和度的至少95% ;飽和度的至少100% (即飽和的）；或飽和度的至少105% (即超過飽 和）。
[0019] 在一些實(shí)施方案中，側(cè)壁成分在槽浴中以如下平均％飽和度含量存在：飽和度的 不大于70% ;飽和度的不大于75% ;飽和度的不大于80% ;飽和度的不大于85% ;飽和度 的不大于90% ;飽和度的不大于95% ;飽和度的不大于100% (即飽和的）；或飽和度的不 大于105% (即超過飽和）。
[0020] 在一些實(shí)施方案中，槽浴成分包含以電解槽各處平均值測量的槽浴含量飽和度百 分?jǐn)?shù)。在一些實(shí)施方案中，槽浴成分包含在鄰近側(cè)壁（例如非反應(yīng)性的/穩(wěn)定的側(cè)壁材料） 位置測得的槽浴含量飽和度百分?jǐn)?shù)。
[0021] 在一些實(shí)施方案中，鄰近側(cè)壁的位置是如下的槽浴：接觸所述壁；距離所述壁不 超過約1" ；距離所述壁不超過約2" ；距離所述壁不超過約4" ；距離所述壁不超過約6" ；距 離所述壁不超過約8" ;距離所述壁不超過約10" ；距離所述壁不超過約12" ;距離所述壁不 超過約14";距離所述壁不超過約16";距離所述壁不超過約18";距離所述壁不超過約20"； 距離所述壁不超過約22" ；或距離所述壁不超過約24"。
[0022] 在一些實(shí)施方案中，鄰近側(cè)壁的位置是如下的槽?。航佑|所述壁；距離所述壁小 于約1" ;距離所述壁小于約2" ;距離所述壁小于約4" ;距離所述壁小于約6" ;距離所述壁 小于約8";距離所述壁小于約10";距離所述壁小于約12";距離所述壁小于約14";距離所 述壁小于約16" ；距離所述壁小于約18" ；距離所述壁小于約20" ；距離所述壁小于約22" ； 或距離所述壁小于約24"。
[0023] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種系統(tǒng)，其包括：電解槽本體，該電解槽本體配置 為保持熔融電解液槽浴，該槽浴包括氧化鋁，該電解槽包括：底部（例如陰極或金屬墊）和 基本上由氧化鋁構(gòu)成的側(cè)壁；和進(jìn)料器系統(tǒng)，該進(jìn)料器系統(tǒng)配置為向熔融電解液槽浴中提 供包括氧化鋁的進(jìn)料，使得氧化鋁的槽浴含量在飽和度的約10 %之內(nèi)，其中通過該槽浴含 量，側(cè)壁在熔融電解液槽浴中穩(wěn)定。
[0024] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種電解槽，該電解槽包括：陽極；與陽極間隔開的 陰極；與陽極和陰極液體連通的電解液槽浴，該槽浴具有包含多種槽浴成分的槽浴化學(xué)組 成；電解槽本體，該電解槽本體包括：底部和圍繞該底部的至少一個(gè)側(cè)壁，其中該側(cè)壁基本 上由槽浴化學(xué)組成中的至少一種槽浴成分組成，其中槽浴化學(xué)組成包含所述至少一種槽浴 成分，在該成分的飽和度極限的約10 %內(nèi)，使得通過該槽浴化學(xué)組成，側(cè)壁在側(cè)壁與槽浴的 界面處得以維持（例如在電解槽運(yùn)行期間）。
[0025] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種電解槽，該電解槽包括：陽極；與陽極間隔開的 陰極；與陽極液體連通的具有槽浴化學(xué)組成的熔融電解液槽?。浑娊獠郾倔w，該電解槽本 體包括底部和圍繞該底部的至少一個(gè)側(cè)壁，其中該電解槽本體被配置為接觸和保持熔融電 解液槽浴，此外其中側(cè)壁由作為槽浴化學(xué)組成的成分的材料構(gòu)建；和進(jìn)料裝置，該進(jìn)料裝置 被配置為向熔融電解液槽浴中提供包括所述成分的進(jìn)料；其中通過該進(jìn)料裝置，槽浴化學(xué) 組成被維持處在或接近該成分的飽和度使得側(cè)壁在熔融鹽電解液中保持穩(wěn)定。
[0026] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種電解槽，該電解槽包括：陽極；與陽極間隔開的 陰極；與陽極和陰極液體連通的熔融電解液槽浴，其中該熔融電解液槽浴含有包括至少一 種槽浴成分的槽浴化學(xué)組成；電解槽本體，該電解槽本體具有：底部和圍繞該底部的至少 一個(gè)側(cè)壁，其中該電解槽本體被配置為保持熔融電解液槽浴，其中該側(cè)壁基本上由所述至 少一種槽浴成分組成，該側(cè)壁進(jìn)一步包括：第一側(cè)壁部分，配置為安置到側(cè)壁的熱絕緣封裝 上以及保持電解液；和第二側(cè)壁部分，配置為從電解槽本體的底部向上延伸，其中第二側(cè)壁 部分與第一側(cè)壁部分縱向間隔，使得第一側(cè)壁部分、第二側(cè)壁部分以及第一部分和第二部 分之間的基底限定出溝槽；其中該溝槽配置為接收保護(hù)沉積物和保持該保護(hù)沉積物與電解 槽底部（例如金屬墊）分離；其中該保護(hù)沉積物配置為從該槽溶解到熔融電解液槽浴中，使 得該熔融電解液槽浴包含一定水平的所述至少一種槽浴成分，其足以在熔融電解液槽浴中 維持所述第一側(cè)壁部分和第二側(cè)壁部分。
[0027] 在本公開的一個(gè)方面，提供了一種電解槽，該電解槽包括：陽極；與陽極間隔開的 陰極；與陽極和陰極液體連通的熔融電解液槽浴，其中該熔融電解液槽浴含有包括至少一 種槽浴成分的槽浴化學(xué)組成；電解槽本體，該電解槽本體具有：底部和圍繞該底部的至少 一個(gè)側(cè)壁，其中該電解槽本體被配置為保持熔融電解液槽浴，其中所述側(cè)壁基本上由所述 至少一種槽浴成分組成，所述側(cè)壁進(jìn)一步包括：第一側(cè)壁部分，配置為安置到側(cè)壁的熱絕緣 封裝上以及保持電解液；和第二側(cè)壁部分，配置為從電解槽本體的底部向上延伸，其中第二 側(cè)壁部分與第一側(cè)壁部分縱向間隔，使得第一側(cè)壁部分、第二側(cè)壁部分以及第一部分和第 二部分之間的基底限定出溝槽；其中該溝槽被配置為接收保護(hù)沉積物和保持該保護(hù)沉積物 與電解槽底部（例如金屬墊）分離；其中該保護(hù)沉積物被配置為從溝槽溶解到熔融電解液 槽浴中，使得該熔融電解液槽浴包含一定水平的所述至少一種槽浴成分，其足以在熔融電 解液槽浴中維持所述第一側(cè)壁部分和第二側(cè)壁部分；和引導(dǎo)部件，其中該引導(dǎo)部件位于第 一側(cè)壁部分與第二側(cè)壁部分之間，此外其中該引導(dǎo)部件在溝槽上方側(cè)向間隔，使得該引導(dǎo) 部件配置為引導(dǎo)保護(hù)沉積物進(jìn)入溝槽內(nèi)。
[0028] 在一些實(shí)施方案中，側(cè)壁包含第一部分和第二部分，其中第二部分配置為相對于 熱絕緣封裝與第一側(cè)壁部分聯(lián)合（align)，此外其中該第二側(cè)壁部分配置為從側(cè)壁（如側(cè) 壁輪廓）以階梯構(gòu)造延伸，其中該第二側(cè)壁部分包括界定出該階梯部分的頂/上表面和側(cè) 表面。在一些實(shí)施方案中，頂表面配置為提供平坦表面（例如平坦的，或者與電解槽底部平 行）。在一些實(shí)施方案中，頂表面配置為提供傾斜/有角度的表面，其朝向第一側(cè)壁部分傾 斜，使得第一側(cè)壁部分和第二側(cè)壁部分的上表面共同界定出凹陷區(qū)域。在一些實(shí)施方案中， 傾斜的穩(wěn)定側(cè)壁朝向電解槽/金屬墊的中心（遠(yuǎn)離側(cè)壁）傾斜。在一些實(shí)施方案中，電解 槽包含向電解槽提供進(jìn)料的進(jìn)料器，該進(jìn)料沿著第二側(cè)壁部分的平坦頂表面和/或側(cè)部的 至少一部分作為保護(hù)沉積物得以保持。在一些實(shí)施方案中，電解槽包括配置為向電解槽提 供進(jìn)料的進(jìn)料器，進(jìn)料沿凹陷區(qū)域（例如第二側(cè)壁部分的上表面）保留。
[0029] 在一些實(shí)施方案中，基底包含所述至少一種槽浴成分。