保护电解池侧壁的系统和方法

保护电解池侧壁的系统和方法
【专利摘要】提供了一种系统，包括：被设置用于保留熔融电解液的电解池，所述电解液包括至少一种电解液成分，所述电解池包括底部和基本上由所述至少一种电解液成分构成的侧壁；以及进料系统，被设置用于向熔融电解液提供包括所述至少一种电解液成分的进料，以使所述至少一种电解液成分处于约2%的饱和度以内，其中，侧壁通过进料而在熔融电解液内保持稳定。
【专利说明】保护电解池侧壁的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是非临时申请并要求2013年3月13日提交的申请号为61/780，493且名称为“保护电解池的系统和方法”的美国专利申请的优先权，通过全文引用将其并入。

【技术领域】
[0003]本公开大体上涉及电解池的侧壁特征(例如内侧壁或高温面)，用于在电解池工作时(例如在电解池内生产金属时)保护侧壁免受电解液的影响。更具体地，在沿整个或一部分内侧壁缺少槽帮的情况下，内侧壁特征提供了与金属、电解液和/或电解池内蒸气的直接接触。

【背景技术】
[0004]通常，电解池的侧壁由导热材料构成，以沿整个侧壁(和电解液的上表面)形成槽帮，从而维持电解池的完整性。


【发明内容】

[0005]通过本公开的各种实施例，电解池的侧壁至少部分地被本公开的一个或多个侧壁实施例取代。
[0006]在某些实施例中，提供了一种稳定的侧壁材料，通过把电解液化学成分中的一种或多种成分维持一定的饱和百分比，所述侧壁材料在熔融电解质(例如电解池电解液)内保持稳定(例如基本不反应)。在某些实施例中，由沿侧壁定位的向电解池内提供进料(例如进料被保留作为位置靠近电解池侧壁的保护性沉积物)的至少一个进料装置来维持电解液的化学成分。在某些实施例中，保护性沉积物向电解液(例如紧邻侧壁的电解液)提供至少一种电解液成分(例如氧化铝)。作为一个非限制性示例，随着保护性沉积物缓慢地分解，侧壁附近的电解液化学成分对于所述电解液成分处于饱和或接近饱和，从而通过与熔融电解质/电解液的相互作用而保护侧壁免于分解(例如溶解/腐蚀)。在某些实施例中，电解液针对特定电解液成分(例如氧化铝)的饱和百分比是在电解池工作条件下(例如温度、电解液比以及电解液和/或含量)进料(例如氧化铝)浓度的函数。
[0007]在某些实施例中，与传统的导热材料封装相比，本公开的侧壁提供了至少约5%、至少约10%、至少约15%、至少约20%、至少约25%、至少约30%的能量节约。
[0008]在某些实施例中，热通量(也就是在电解池工作期间穿过电解池侧壁损失的热量)不大于约5kW/m2、不大于约4kW/m2、不大于约3kW/m2、不大于约2kW/m2、不大于约lkW/m2、不大于约 0.75kW/m2。
[0009]在某些实施例中，热通量(也就是在电解池工作期间穿过电解池侧壁损失的热量)是至少约5kW/m2、至少约4kW/m2、至少约3kW/m2、至少约2kW/m2、至少约lkW/m2、至少约
0.75kW/m2。
[0010]与之形成鲜明对比地，商用霍尔型电解池工作时穿过侧壁的热通量在约8_12kW/m2之间。
[0011]在本公开的一方面，提供了一种系统，包括:被设置用于保留熔融电解液的电解池，所述电解液包括至少一种电解液成分，所述电解池包括底部(例如阴极或金属垫)和基本上由所述至少一种电解液成分构成的侧壁；以及进料系统，被设置用于向熔融电解液提供包括所述至少一种电解液成分的进料，以使所述至少一种电解液成分处于约2%的饱和度以内，其中，通过进料而使侧壁在熔融电解液内保持稳定。
[0012]在某些实施例中，电解液包括含量高于其饱和极限(例如使得在电解液内存在颗粒)的进料(例如氧化铝)。
[0013]在某些实施例中，电解液成分(例如氧化铝)包括在约2%的饱和度以内、在约1.5%的饱和度以内、在约1%的饱和度以内、在约0.5%的饱和度以内、在饱和点或在过饱和点(例如电解液内存在未分解的电解液成分颗粒)的平均电解液含量。
[0014]在某些实施例中，电解液成分的饱和度是至少约95%的饱和度、至少约96%的饱和度、至少约97%的饱和度、至少约98%的饱和度、至少约99%的饱和度、100%的饱和度或过饱和(例如电解液内存在未分解的电解液成分颗粒)。
[0015]在某些实施例中，电解液成分的饱和度是不大于约95%的饱和度、不大于约96%的饱和度、不大于约97%的饱和度、不大于约98%的饱和度、不大于约99%的饱和度或者不大于100%的饱和度。
[0016]在某些实施例中，电解液成分包括作为电解池中平均值测量的电解液含量饱和百分比。在某些实施例中，电解液成分包括在靠近侧壁的位置(例如不反应/稳定的侧壁材料)测量的电解液含量饱和百分比。
[0017]在某些实施例中，靠近侧壁的位置是指以下电解液:接触壁部；距离壁部不大于约I";距离壁部不大于约2";距离壁部不大于约4";距离壁部不大于约6";距离壁部不大于约8";距离壁部不大于约10";距离壁部不大于约12";距离壁部不大于约14"；距离壁部不大于约16";距离壁部不大于约18";距离壁部不大于约20";距离壁部不大于约22"或者距离壁部不大于约24"。
[0018]在某些实施例中，靠近侧壁的位置是指以下电解液:接触壁部；距离壁部小于约I";距离壁部小于约2";距离壁部小于约4";距离壁部小于约6";距离壁部小于约8"；距离壁部小于约10";距离壁部小于约12";距离壁部小于约14";距离壁部小于约16"；距离壁部小于约18";距离壁部小于约20";距离壁部小于约22"或者距离壁部小于约24"。
[0019]在本公开的一方面，提供了一种系统，包括:被设置用于保留熔融电解液的电解池主体，所述电解液包括氧化铝，所述电解池包括底部(例如阴极或金属垫)和基本上由氧化铝构成的侧壁；以及进料系统，被设置用于向熔融电解液提供包括氧化铝的进料，以使氧化铝的电解液含量处于约10%的饱和度以内，其中，通过所述电解液含量而使侧壁在熔融电解液内保持稳定。
[0020]在本公开的一方面，提供了一种电解池，包括:阳极；与阳极成间隔开关系的阴极；与阳极和阴极液体连通的电解液，所述电解液具有包括多种电解液成分的电解液化学成分；电解池主体，包括底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，侧壁基本上由电解液化学成分中的至少一种电解液成分构成，其中，所述电解液化学成分包括的所述至少一种电解液成分在该电解液成分饱和极限的约10%以内，从而通过所述电解液化学成分使侧壁维持在侧壁到电解液的交界面处(例如在电解池工作期间)。
[0021]在本公开的一方面，提供了一种电解池，包括:阳极；与阳极成间隔开关系的阴极；与阳极液体连通的具有电解液化学成分的熔融电解液；电解池主体，包括底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于接触和保留熔融电解液，其中，所述侧壁由作为电解液化学成分中一种成分的材料构成；以及进料装置，被设置用于向熔融电解液内提供包括所述成分的进料；其中，通过进料装置使所述电解液化学成分维持在所述成分的饱和点或接近饱和点，以使侧壁在熔盐电解质内保持稳定。
[0022]在本公开的一方面，提供了一种电解池，包括:阳极；与阳极成间隔开关系的阴极；与阳极和阴极液体连通的熔融电解液，其中，所述熔融电解液包括含有至少一种电解液成分的电解液化学成分；电解池主体，具有底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于保留所述熔融电解液，其中，所述侧壁基本上由所述至少一种电解液成分构成，所述侧壁进一步包括:第一侧壁部分，被设置为安装到侧壁的隔热封装上并保留电解质；以及第二侧壁部分，被设置为从电解池主体的底部向上延伸，其中，第二侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔开，以使第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一侧壁部分和第二侧壁部分之间的基底界定出凹槽；其中，所述凹槽被设置用于与电解池底部(例如金属垫)分开地接纳保护性沉积物并且保留保护性沉积物；其中，所述保护性沉积物被设置用于从凹槽分解到熔融电解液内，以使熔融电解液包括的所述至少一种电解液成分的水平足以在熔融电解液内维持第一侧壁部分和第二侧壁部分。
[0023]在本公开的一方面，提供了一种电解池，包括:阳极；与阳极成间隔开关系的阴极；与阳极和阴极液体连通的熔融电解液，其中，所述熔融电解液包括含有至少一种电解液成分的电解液化学成分；电解池主体，具有底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于保留所述熔融电解液，其中，所述侧壁基本上由所述至少一种电解液成分构成，所述侧壁进一步包括:第一侧壁部分，被设置为安装到侧壁的隔热封装上并保留电解质；以及第二侧壁部分，被设置为从电解池主体的底部向上延伸，其中，第二侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔开，以使第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一侧壁部分和第二侧壁部分之间的基底界定出凹槽；其中，所述凹槽被设置用于与电解池底部(例如金属垫)分开地接纳保护性沉积物并且保留保护性沉积物；其中，所述保护性沉积物被设置用于从凹槽分解到熔融电解液内，以使熔融电解液包括的所述至少一种电解液成分的水平足以在熔融电解液内维持第一侧壁部分和第二侧壁部分；以及引导元件，其中，所述引导元件位于第一侧壁部分和第二侧壁部分之间，，其中，所述引导元件在所述凹槽上方横向间隔开，以使所述引导元件被设置用于将保护性沉积物引导到所述凹槽内。
[0024]在某些实施例中，所述侧壁包括第一侧壁部分和第二侧壁部分，其中，第二侧壁部分被设置为相对于隔热封装与第一侧壁部分对齐，其中，第二侧壁部分被设置为以阶梯式结构从侧壁(例如侧壁轮廓)伸出，其中，第二侧壁部分包括界定出阶梯式结构的顶面/上表面和侧面。在某些实施例中，所述顶面被设置用于提供(例如平坦或者与电解池底部平行的)平面。在某些实施例中，所述顶面被设置用于提供倾斜/有角度的表面，其朝向第一侧壁部分倾斜，以使第二侧壁部分的上表面和第一侧壁部分配合界定出凹陷区域。在某些实施例中，倾斜的稳定侧壁朝向电解池/金属垫的中心倾斜(离开侧壁)。在某些实施例中，所述电解池包括被设置用于给电解池提供进料的进料器，所述进料沿着第二侧壁部分的平坦顶面和/或侧面的至少一部分被保留作为保护性沉积物。在某些实施例中，所述电解池包括被设置用于向电解池内提供进料的进料器，所述进料沿着所述凹陷区域(例如第二侧壁部分的上表面)被保留。
[0025]在某些实施例中，所述基底包括所述至少一种电解液成分。
[0026]在某些实施例中，所述保护性沉积物包括一种电解液成分(至少一种)。在某些实施例中，所述保护性沉积物包括至少两种电解液成分。
[0027]在某些实施例中，所述保护性沉积物从凹槽伸出并且一直延伸到至少电解液上表面。
[0028]在某些实施例中，所述电解池进一步包括引导元件，其中，所述引导元件位于第一侧壁部分和第二侧壁部分之间，其中，所述引导元件位于所述凹槽的基底上方，其中，所述引导元件被设置用于将保护性沉积物引导到所述凹槽内。在某些实施例中，所述引导元件由稳定性材料(例如在电解液和 /或汽相中不反应的材料)构成。
[0029]在某些实施例中，所述引导元件由电解液化学成分中存在的材料构成，以使得通过电解液化学成分在熔盐电解质内得以维持所述弓丨导元件。
[0030]在某些实施例中，所述凹槽的基底由进料块界定，其中，所述进料块由从电解液化学成分的成分中选出的材料构成，其中，所述进料块通过电解液化学成分在熔盐电解液内得以维持。在某些实施例中，所述进料块包括稳定性材料(不反应的材料)。在某些实施例中，所述进料块包括氧化铝。
[0031]在某些实施例中，所述电解池进一步包括被设置用于提供凹槽内的保护性沉积物的进料器(例如进料装置)。
[0032]在某些实施例中，所述进料装置被连接至电解池主体。
[0033]在本公开的一方面，提供了一种方法，包括:通过电解池的熔融电解液在阳极和阴极之间输送电流，向电解池内输送进料以便为熔融电解液提供至少一种电解液成分，其中，进料所用速率足以将所述至少一种电解液成分的电解液含量维持在约95%的饱和度以内；并且通过进料步骤，维持由包括所述至少一种电解液成分的材料构成的电解池侧壁。
[0034]在某些实施例中，所述方法包括:伴随着第一步骤，维持电解液所处温度不超过960°C，其中，所述电解池侧壁基本上没有槽帮。
[0035]在某些实施例中，所述方法包括消耗保护性沉积物以向电解液提供金属离子。
[0036]在某些实施例中,所述方法包括由所述至少一种电解液成分生成金属产物。
[0037]以上所述本发明的各个方面可以组合，以得到涉及低温下(例如960°C以下)在电解池内生产初级金属的设备、组件和方法。
[0038]本发明的各个方面、优点和新颖特征在以下说明中部分地阐述，并且对于本领域技术人员来说通过审阅以下的说明和附图就会变得显而易见，或者可以通过实施本发明来学习掌握。

【专利附图】

【附图说明】
[0039]图1根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图，电解池具有稳定的侧壁(例如不反应的材料)。
[0040]图2根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图，电解池具有第一侧壁部分和第二侧壁部分，进料器提供在侧壁部分之间的保护性沉积物。
[0041]图3根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图，电解池具有第一侧壁部分和第二侧壁部分，进料器提供在侧壁部分之间的保护性沉积物并且进料器包括引导元件。
[0042]图4根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图，电解池具有包括两个稳定侧壁部分的侧壁，第一侧壁部分和第二侧壁部分被设置为连接至隔热封装，其中，第二侧壁部分延伸超出第一侧壁部分(例如被设置用于提供阶梯式/伸出结构)。
[0043]图5根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图，电解池具有包括两个稳定侧壁部分的侧壁，第一侧壁部分和第二侧壁部分被设置为连接至隔热封装，其中，第二侧壁部分延伸超出第一侧壁部分(例如被设置用于提供阶梯式/伸出结构)，包括由进料器提供的保护性沉积物。
[0044]图6根据本公开示出了电解池的另一个实施例在工作时的示意性侧视图，电解池具有包括两个稳定侧壁部分的侧壁，第一侧壁部分和第二侧壁部分被设置为连接至隔热封装，其中，第二侧壁部分延伸超出第一侧壁部分(例如被设置用于提供阶梯式/伸出结构)，包括由进料器提供的保护性沉积物。
[0045]图7根据本公开示出了电解池在工作时的示意性侧视图(例如活性侧壁是本公开的一个或多个实施例)。
[0046]图8是示出了电解液内氧化铝分解速率(m/s)与氧化铝饱和百分比对应关系的曲线图，以五(5)种不同的温度曲线绘制(750°C、800 °C、850°C、900 V和950°C )。
[0047]图9是电解液、冷却剂和出口槽帮的温度和热通量与时间的关系的曲线图。
[0048]图10A-H示出了保护性沉积物和在保护性沉积物下方的凹槽底部/基底(有时称作进料块)各种角度的局部剖视侧视图。示出了保护性沉积物的各种角度(向第二侧壁部分倾斜、向第一侧壁部分倾斜、平坦、有角度等)。还示出了凹槽底部/基底的各种角度(向第二侧壁部分倾斜、向第一侧壁部分倾斜、平坦、有角度等)。
[0049]图1lA-D示出了支架顶部和/或第二侧壁部分的各种结构的局部剖视侧视图。图1lA示出了向电解池中心倾斜(以促进电解池排放)的横向结构。图1lB示出了向侧壁倾斜(以促进在保护性沉积物中保留进料)的横向结构。图1lC示出了有角度的结构(例如有尖角)。图1lD示出了支架或第二侧壁部分的曲线或弧形的最上方区域。

【具体实施方式】
[0050]现参照附图进行详细说明，附图至少有助于图解本发明的各种相关实施例。
[0051]如本文所用的“电解”是指输送电流通过材料而引起化学反应的任何过程。在某些实施例中，在电解池内将某种金属还原以生成金属产物时发生电解。电解的某些非限制性示例包括初级金属生产。电解生成金属的某些非限制性示例包括:稀土金属、有色金属(例如铜、镍、锌、镁、铅、钛、铝和稀土金属)。如本文所用的“电解池”是指用于进行电解的设备。在某些实施例中，电解池包括熔炼坩埚或一系列熔器(例如多个坩埚)。在一个非限制性的示例中，电解池装有用作导体的电极，电流通过电极进入或离开非金属的介质(例如电解液)。
[0052]如本文所用的“电极”是指带正电的电极(例如阳极)或带负电的电极(例如阴极)。
[0053]如本文所用的“阳极”是指电流经此进入电解池的正电极(或端子)。在某些实施例中，阳极由导电材料构成。阳极材料的某些非限制性示例包括:金属、金属合金、氧化物、陶瓷、金属陶瓷、碳或其组合。
[0054]如本文所用的“阳极组件”包括与支撑件相连的一个或多个阳极。在某些实施例中，阳极组件包括:阳极、支撑件(例如耐火块和其他的耐电解液腐蚀材料)以及电气总线。
[0055]如本文所用的“支撑件”是指保持另一个对象就位的元件。在某些实施例中，支撑件是保持阳极就位的结构件。在一个实施例中，支撑件有助于电气总线到阳极的电连接。在一个实施例中，支撑件由能够耐受腐蚀性电解液侵蚀的材料构成。例如，支撑件由包括例如耐火材料在内的绝缘材料构成。在某些实施例中，多个阳极(例如机械地或电气地)连接至支撑件(例如可移除地连接)，支撑件可调节并且能够升高、降低或者以其他方式在电解池内移动。
[0056]如本文所用的“电气总线”是指一个或多个部件的电气连接件。例如，阳极、阴极和/或其他电解池部件都可以具有用于将部件连接在一起的电气总线。在某些实施例中，电气总线包括阳极内的插头连接件、用于连接阳极和/或阴极的线缆、用于各种电解池部件(或位于其间)的电路及其组合。
[0057]如本文所用的“阴极”是指电流经此离开电解池的负电极(或端子)。在某些实施例中，阴极由导电材料构成。阴极材料的某些非限制性示例包括:碳、金属陶瓷、陶瓷材料、金属材料及其组合。在一个实施例中，阴极由过渡金属硼化物化合物例如TiB2构成。在某些实施例中，阴极通过电解池底部(例如汇流条和电气总线)电连接。作为某些非限制性示例，阴极由TiB2、TiB2-C复合材料、氮化硼、硼化锆、硼化铪、石墨及其组合构成。
[0058]如本文所用的“阴极组件”是指阴极(例如阴极块)、汇流条、电气总线及其组合。
[0059]如本文所用的“汇流条”是指汇集来自电解池的电流的杆。在一个非限制性示例中，汇流条汇集来自阴极的电流并将电流传输至电气总线以从系统中送出电流。
[0060]如本文所用的“电解液”是指具有至少一种待还原金属(例如通过电解过程进行)的液化浴。电解液成分的非限制性示例包括:(招电解池内的)NaF-AlF3、NaF、AlF3、CF2、MgF2、LiF, KF及其组合，还有分解的氧化铝。
[0061]如本文所用的“熔融”是指通过加热获得的可流动形式(例如液体)。作为非限制性示例，电解液是熔融形式(例如至少约750°C)。作为另一个示例，在电解池底部形成的金属产物(例如有时称为“金属垫”)也是熔融形式。
[0062]在某些实施例中，熔融电解液/电解池的工作温度是:至少约750°C、至少约800°C、至少约850°C、至少约900°C、至少约950°C或至少约975°C。在某些实施例中，熔融电解液/电解池的工作温度是:不高于约750°C、不高于约800°C、不高于约850°C、不高于约900°C、不高于约950°C或不高于约975°C。
[0063]如本文所用的“金属产物”是指通过电解生成的产物。在一个实施例中，金属产物在电解池的底部形成为金属垫。金属产物的某些非限制性示例包括:招、镍、镁、铜、锌和稀土金属。
[0064]如本文所用的“侦彳壁”是指电解池的壁部。在某些实施例中，侧壁围绕电解池底部参变性地延伸并且从电解池底部向上伸出，以界定出电解池主体并界定出容纳电解液的容积。在某些实施例中，侧壁包括:外壳、隔热封装和内壁。在某些实施例中，内壁和电解池底部被设置用于接触和保留熔融电解液、提供给电解液(也就是用于驱动电解)的进料以及金属产物(例如金属垫)。在某些实施例中，侧壁(内侧壁)包括不反应的侧壁部分(例如稳定的侧壁部分)。
[0065]如本文所用的“横向”是指两表面之间的角度。在某些实施例中，所述表面成锐角或钝角。在某些实施例中，横向包括角度处于或等于直角，或几乎没有角度，也就是表面表现为连续(例如180° )。在某些实施例中，一部分侧壁(内壁)是横向的或者朝向电解池底部倾斜。在某些实施例中，整个侧壁都横向于电解池底部。在某些实施例中，稳定的侧壁材料具有倾斜的顶部(也就是朝向金属垫/电解池的中心倾斜以帮助将金属产物排放到电解池底部)。
[0066]在某些实施例中，整个壁部都是横向的。在某些实施例中，一部分壁部(第一侧壁部分、第二侧壁部分、支架、凹槽、引导元件)是横向的(或者是倾斜的、有角度的、曲线的、弧形的)。
[0067]在某些实施例中，支架是横向的。在某些实施例中，第二侧壁部分是横向的。不受任何特定理论或机制所限地，我们确信通过以横向的方式设置侧壁(第一侧壁部分、第二侧壁部分、凹槽或支架)即可提升电解池工作中的某些特性(例如金属排放、送入电解池内/朝向电解池底部的进料方向)。作为非限制性的示例，通过提供横向的侧壁，侧壁就可以被设置用于帮助将进料捕集到凹槽或支架内的保护性沉积物中(例如朝向其倾斜/或被设置为帮助将金属排放到电解池底部，与支架成夹角)。
[0068]在某些实施例中，第一侧壁部分是横向的(有角度/倾斜)且第二侧壁部分不倾斜。在某些实施例中，第一侧壁部分不倾斜且第二侧壁部分倾斜。在某些实施例中，第一侧壁部分和第二侧壁部分都是横向的(有角度/倾斜)。
[0069]在某些实施例中，基底(或进料块)是横向的(有角度/倾斜)。在某些实施例中，支架/凹槽或第二侧壁部分的上部是倾斜的、有角度的、平坦的、横向的或曲线的。
[0070]如本文所用的“壁面角”是指可以用度数测量的内侦彳壁相对于电解池底部的角度。例如，O度的壁面角是指竖直角(或无角度)。在某些实施例中，壁面角包括从O度到约30度的角度(Θ)。在某些实施例中，壁面角包括从O度到约60度的角度(Θ )。在某些实施例中，壁面角包括从O度到约85度的角度(Θ )。
[0071]在某些实施例中，壁面角(Θ )是至少约5°、至少约10°、至少约15°、至少约20°、至少约25°、至少约30°、至少约35°、至少约40°、至少约45°、至少约50°、至少约55°或至少约60°。在某些实施例中，壁面角(Θ )是不大于约5°、不大于约10°、不大于约15°、不大于约20°、不大于约25°、不大于约30°、不大于约35°、不大于约40°、不大于约45°、不大于约50°、不大于约55°或不大于约60°。
[0072]如本文所用的“外壳”是指侧壁的最外侧保护性盖罩部分。在一个实施例中，外壳是电解池内壁的保护性盖罩。作为非限制性示例，外壳由封装电解池的硬质材料(例如钢)构成。
[0073]如本文所用的“第一侧壁部分”是指内侧壁的一部分。
[0074]如本文所用的“第二侧壁部分”是指内侧壁的另一部分。在某些实施例中，第二侧壁部分与第一部分间隔(例如纵向间隔)一定的距离。作为一个非限制性示例，第二侧壁部分是具有一定长度和宽度的直立元件，其中第二部分与第一部分间隔开。
[0075]在某些实施例中，第二部分与第一部分相配合以保留材料或对象(例如保护性沉积物)。
[0076]在某些实施例中，第二部分有连续的高度，而在另一些实施例中，第二部分的高度有变化。在一个实施例中，第二部分由对电解液的腐蚀性环境有耐受性且对金属产物(例如金属垫)有耐受性的材料构成，并且因此不会损坏或以其他方式在电解液内反应。作为某些非限制性示例，壁部由TiB2、TiB2-C、SiC、Si3N4、BN、在电解液化学成分中达到饱和或接近饱和的电解液成分(例如氧化铝)及其组合构成。
[0077]在某些实施例中，第二部分被铸造、热压或烧结成所需的尺寸、理论密度、孔隙率等。在某些实施例中，第二部分被固定至一个或多个电解池部件，以便保持第二部分就位。
[0078]如本文所用的“引导元件”是指被设置用于以特定方式引导对象或材料的元件。在某些实施例中，引导元件适合和设置用于将进料引导到凹槽内(例如保留在凹槽内作为保护性沉积物)。在某些实施例中，引导元件在电解池内悬浮在第一侧壁部分和第二侧壁部分之间以及凹槽上方，目的是为了引导进料流入凹槽内。在某些实施例中，引导元件由在电解液化学成分中以饱和点或接近饱和点存在的材料(至少一种电解液成分)构成，以使引导元件在电解液内得以维持。在某些实施例中，引导元件被设置为连接至(例如由能够耐受电解液的材料构成的)框架，其中，框架被设置用于调节电解池内的引导元件(也就是横向移动引导元件(例如相对于电解池高度上下移动)和/或纵向移动引导元件(例如相对于凹槽/电解池底部左右移动))。
[0079]在某些实施例中，引导元件的尺寸和/或位置被选择，以促成保护性沉积物的某种结构和/或进料流入凹槽内的预定流动模式。在某些实施例中，引导元件被连接至阳极组件。在某些实施例中，引导元件被连接至电解池的侧壁。在某些实施例中，引导元件被连接至进料装置(例如将进料装置固定就位的框架)。作为非限制性示例，引导元件包括板、杆、块、狭长形状的元件及其组合。引导元件材料的某些非限制性示例包括:阳极材料、Sic、SiN和/或在电解液内以饱和点或接近饱和点存在以使引导元件在电解液内得以维持的成分。
[0080]如本文所用的“纵向间隔开”是指一个对象与另一个对象之间相对于长度的布置。
[0081]在某些实施例中，横向间隔开(也就是第二侧壁部分与第一侧壁部分或凹槽横向间隔开)是指间隔至少I"、至少I又1/2"、至少2"、至少2又1/2"、至少3"、至少3又1/2"、至少4"、至少4又1/2"、至少5"、至少5又1/2"、至少6"、至少6又1/2"、至少7"、至少7又1/2"、至少8"、至少8又1/2"、至少9"、至少9又1/2"、至少10"、至少10又1/2"、至少11"、至少11又1/2"或至少12"。
[0082]在某些实施例中，横向间隔开(也就是第二侧壁部分与第一侧壁部分或凹槽横向间隔开)是指间隔不大于I"、不大于I又1/2"、不大于2"、不大于2又1/2"、不大于3"、不大于3又1/2"、不大于4"、不大于4又1/2"、不大于5"、不大于5又1/2"、不大于6"、不大于6又1/2"、不大于7"、不大于7又1/2"、不大于8"、不大于8又1/2"、不大于9"、不大于9又1/2"、不大于10"、不大于10又1/2"、不大于11"、不大于11又1/2"或不大于12"。
[0083]如本文所用的“横向间隔开”是指一个对象与另一个对象之间相对于宽度的布置。
[0084]如本文所用的“至少”是指大于或等于。
[0085]如本文所用的“不大于”是指小于或等于。
[0086]如本文所用的“凹槽”是指用于容纳某物的容器。在一个实施例中，凹槽由第一侧壁部分、第二侧壁部分、和基底(或电解池的底部)界定。在某些实施例中，凹槽保留保护性沉积物。在某些实施例中，凹槽保留进料作为保护性沉积物，以使凹槽被设置用于阻止保护性沉积物在电解池内移动(也就是移动到金属垫和/或电解池的电极部分内)。
[0087]在某些实施例中，凹槽由电解液化学成分中以饱和点或接近饱和点存在的材料(至少一种电解液成分)构成，以使其在电解液内得以维持。
[0088]在某些实施例中，凹槽进一步包括(例如相对于侧壁的)高度。作为非限制性的实施例，凹槽的高度(从电解池底部到电解液/蒸气的交界面测量)包括:至少1/4"、至少1/2"、至少3/4"、至少I"、至少I又1/4"、至少I又1/2"、至少I又3/4"、至少2"、至少2又1/4"、至少2又1/2"、至少2又3/4"、至少3"、至少3又1/4"、至少3又1/2"、至少3又3/4"、至少4"、至少4又1/4"、至少4又1/2"、至少4又3/4"、至少5"、至少5又1/4"、至少5又1/2"、至少5又3/4"或至少6"。在某些实施例中，凹槽的高度包括:至少6"、至少12"、至少18"、至少24"或至少30"。
[0089]作为非限制性的实施例，凹槽的高度(从电解池底部到电解液/蒸气的交界面测量)包括:不大于1/4"、不大于1/2"、不大于3/4"、不大于I"、不大于I又1/4"、不大于I又1/2"、不大于I又3/4"、不大于2"、不大于2又1/4"、不大于2又1/2"、不大于2又3/4"、不大于3"、不大于3又1/4"、不大于3又1/2"、不大于3又3/4"、不大于4"、不大于4又1/4"、不大于4又1/2"、不大于4又3/4"、不大于5"、不大于5又1/4"、不大于5又1/2" 、不大于5又3/4"或不大于6"。在某些实施例中，凹槽的高度包括:不大于6"、不大于12"、不大于18"、不大于24"或不大于30"。
[0090]如本文所用的“保护性沉积物”是指保护另一对象或材料的累积材料。作为非限制性示例，“保护性沉积物”是指保留在凹槽内的进料。在某些实施例中，保护性沉积物是固体、颗粒形态、淤泥、泥浆和/或其组合。在某些实施例中，保护性沉积物可以(例如通过电解液的腐蚀性本质)分解到电解液内和/或通过电解过程消耗。在某些实施例中，保护性沉积物被保留在第一侧壁部分和第二侧壁部分之间的凹槽内。在某些实施例中，保护性沉积物被设置用于推送金属垫(熔融金属)离开侧壁，从而保护侧壁免受电解液-金属交界面的影响。在某些实施例中，保护性沉积物通过电解液而分解，以提供在电解池壁部处或附近的饱和，从而维持稳定/不反应的侧壁材料(也就是由饱和点或接近饱和点的电解液成分构成)。在某些实施例中，保护性沉积物包括的沉积角度(例如在汇集于凹槽内时保护沉积物形成一定的形状)足以保护侧壁并将进料提供给电解液以供分解。
[0091]如本文所用的“进料”是指帮助驱动进一步处理的材料供应。作为一个非限制性示例，进料是驱动在电解池内电解生成稀土金属和/或有色金属(例如金属产物)的金属氧化物。在某些实施例中，进料一旦分解或以其他方式消耗就给电解液提供另外的启动材料，其通过在电解池内还原而生成金属氧化物，从而形成金属产物。在某些实施例中，进料具有两种非限制性的功能:(1)提供电解池的反应条件以生成金属产物；(2)在内侧壁的壁部之间的通道内形成进料沉积物以保护内侧壁免受腐蚀性电解液环境的影响。在某些实施例中，进料包括铝电解池内的氧化铝。铝熔炼中进料的某些非限制性示例包括:冶炼级氧化铝(SGA)、氧化铝、板状氧化铝及其组合。在冶炼(非铝的)其他金属时，驱动反应的进料可以根据本说明书轻易识别。在某些实施例中，进料的尺寸和密度足以从电解液-空气交界面行进穿过电解液并进入凹槽内以形成保护性沉积物。
[0092]如本文所用的“平均颗粒尺寸”是指多个独立颗粒的平均尺寸。在某些实施例中，颗粒物(固体)形式的进料具有平均颗粒尺寸。在一个实施例中，进料的平均颗粒尺寸足够大以使其沉降入电解池底部(例如不会悬浮在电解液内或以其他方式“漂浮”在电解液内)。在一个实施例中，平均颗粒尺寸足够小，以使得有足够的表面积用于发生表面反应/分解(例如消耗速率)。
[0093]如本文所用的“进料速率”是指相对于单位时间的一定数量(或数额)的进料。作为一个非限制性示例，进料速率是向电解池加入进料的速率。在某些实施例中，保护性沉积物的尺寸和/或位置与进料速率相关。在某一实施例中，进料速率是固定的。在另一个实施例中，进料速率是可调的。在某些实施例中，进料是连续的。在某些实施例中，进料是不连续的。
[0094]如本文所用的“消耗速率”是指相对于单位时间而使用的一定数量(或数额)的材料。在一个实施例中，消耗速率是进料被电解池消耗(例如被电解液消耗和/或被消耗以形成金属产物)的速率。
[0095]在某些实施例中，进料速率大于消耗速率。在某些实施例中，进料速率被设计成用于在电解液-空气的交界面上方提供保护性沉积物。
[0096]如本文所用的“进料器”(有时称为进料装置)是指向某处输入材料(例如进料)的装置。在一个实施例中，进料装置是将进料送入电解池内的装置。在某些实施例中，进料装置是自动型、手动型或其组合。作为非限制性示例，进料装置是幕帘式进料器(curtainfeeder)或遏制式进料器(choke feeder)。如本文所用的“幕帘式进料器”是指沿侧壁(例如有轨道)移动以分配进料的进料装置。在一个实施例中，幕帘式进料器被可移动地连接，以使其沿电解池的至少一个侧壁移动。
[0097]如本文所用的“遏制式进料器”是指在侧壁上保持固定以向电解池内分配进料的进料装置。在某些实施例中，该进料装置通过连接装置连接至侧壁。非限制性的示例包括托架等。
[0098]在某些实施例中，进料装置是自动型。如本文所用的“自动”是指(例如通过机器控制或计算机控制)独立工作的能力。在某些实施例中，进料装置是手动型。如本文所用的“手动”是指通过人力操作。
[0099]如本文所用的“进料块”是指固体形式(例如铸造、烧结、热压或其组合)的进料。在某些实施例中，凹槽的基底包括进料块。作为一个非限制性示例，进料块由氧化铝制成。
[0100]如本文所用的“不反应的侧壁”是指侧壁由电解池工作温度下(例如高于750°C或不高于960°C)在熔融电解液内保持稳定(例如不反应、惰性、尺寸稳定和/或得以维持)的材料构造或组成(例如涂覆有该材料)。在某些实施例中，不反应的侧壁材料由于电解液的化学成分而在电解液内得以维持。在某些实施例中，由于电解液包括所述不反应的侧壁材料且其在电解液内以饱和极限或接近饱和极限的浓度作为电解液成分，因此不反应的侧壁材料在电解液内保持稳定。在某些实施例中，不反应的侧壁材料包括存在于电解液化学成分中的至少一种成分。在某些实施例中，通过向电解液内输送进料来维持电解液化学成分，从而保持电解液化学成分针对不反应的侧壁材料在饱和点或接近饱和点，从而维持电解液内的侧壁材料。
[0101]不反应的侧壁材料的某些非限制性示例包括:含Al、L1、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La或Ce材料或者其组合。在某些实施例中，不反应的材料是上述示例的氧化物。在某些实施例中，不反应的材料是上述示例的卤化物和/或氟化物。在某些实施例中，不反应的材料是上述示例的氟氧化物。在某些实施例中，不反应的材料是上述示例的纯金属形式。在某些实施例中，不反应的侧壁材料被选择为是与生成的金属产物(例如Al)相比具有更高电化学电势的材料(例如Ca，Mg)(例如这些材料的阳离子电化学性更不活跃)，不反应的侧壁材料的反应与氧化铝到铝的还原反应相比(在电化学方面)更加不需要。在某些实施例中，不反应的侧壁由可铸造的材料制成。在某些实施例中，不反应的侧壁由烧结的材料制成。
[0102]示例:实验室规模的研究:侧进料:
[0103]完成了实验室规模的测试，以评估铝电解池的腐蚀。腐蚀测试表明氧化铝和氧化铬-氧化铝材料在电解液-金属交界面处优先侵蚀。而且，可以确定当氧化铝的饱和浓度较低时(例如在约95wt%以下)电解液-金属交界面处的腐蚀速率就会明显加速。利用进料的物理屏障也就是用进料增加氧化铝的饱和浓度，(例如氧化铝颗粒构成的)屏障用于保持电解液-金属交界面处饱和的氧化铝，从而保护侧壁不被电解液分解。因此，电解液-金属交界面处的侧壁被保护免受腐蚀并且铝的饱和浓度被保持在约98wt%。在执行电解一段时间之后，检查侧壁且侧壁仍保持完好无损。
[0104]示例:中试规模测试: 通过回转式进料器自动侧进料
[0105]单个霍尔型电解池连续运行约700小时(例如通过回转式进料器)，沿围绕电解池周边的侧壁有凹槽。进料器包括料斗并且沿侧壁转动以(沿一个侧壁)向整个侧壁进料。通过自动进料装置将板状氧化铝构成的进料在一位置送入电解池内以保留在凹槽内。在电解完成后，检查侧壁并发现侧壁完整无损(也就是侧壁受到侧进料的保护)。
[0106]示例:全坩埚测试侧进料(手动)
[0107]通过手动进料进行的侧壁进料大规模测试连续运行一定的时间段(例如至少一个月)，沿侧壁有凹槽。将板状氧化铝构成的进料在靠近侧壁的位置手动送入电解池内，以使氧化铝被保留在电解池中位置靠近侧壁的凹槽内。侧壁轮廓的测量值表明在凹槽上方的侧壁有最小腐蚀，并且凹槽轮廓测量值表明凹槽在电解池工作期间始终保持其完整性。因此，手工输送的氧化铝保护了电解池侧壁的金属-电解液交界面免遭腐蚀。执行电解池的分析检查以结论性地得出上述结果。
[0108]尽管已经详细介绍了本发明的各种实施例，但显而易见的是本领域技术人员能够得出这些实施例的变例和修改。但是，应该明确地理解，这些变例和修改都落在本发明的实质和保护范围内。
[0109]附图标记
[0110]电解池 10
[0111]阳极12
[0112]阴极14
[0113]电解液16
[0114]金属垫 18
[0115]电解池主体20
[0116]电气总线22
[0117]阳极组件24
[0118]汇流条40
[0119]活性侧壁30
[0120]侧壁38 (例如包括活性侧壁和隔热封装)
[0121]底部32
[0122]外壳34
[0123]进料块60
[0124]电解液-空气的交界面26
[0125]金属-电解液的交界面28
【权利要求】
1.一种系统，包括: 被设置用于保留熔融电解液的电解池，所述电解液包括至少一种电解液成分，所述电解池包括: 底部，和 基本上由所述至少一种电解液成分构成的侧壁；以及 进料系统，被设置用于向熔融电解液提供包括所述至少一种电解液成分的进料，以使所述至少一种电解液成分处于约2%的饱和度以内， 其中，侧壁通过所述进料而在熔融电解液内保持稳定。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述电解液包括含量高于饱和极限的进料。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述电解液成分包括在1%的饱和度以内的平均电解液含量。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述电解液成分的饱和度是至少约95%的饱和度。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述电解液成分的饱和度是不大于100%的饱和度。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述电解液成分包括在靠近侧壁的位置测量的电解液含量饱和百分比。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述靠近侧壁的位置进一步包括:距离壁部不大于6" ο
8.一种系统,包括: 被设置用于保留熔融电解液的电解池主体，所述电解液包括氧化铝，所述电解池包括: 底部和基本上由氧化铝构成的侧壁；以及 进料系统，被设置用于向熔融电解液提供包括氧化铝的进料，以使氧化铝的电解液含量处于约10%的饱和度以内， 其中，侧壁通过所述电解液含量而在熔融电解液内保持稳定。
9.一种系统,包括: 阳极； 与阳极成间隔开关系的阴极； 与阳极和阴极液体连通的电解液，所述电解液具有包括多种电解液成分的电解液化学成分； 电解池主体，包括:底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，侧壁基本上由电解液化学成分中的至少一种电解液成分构成， 其中，所述电解液化学成分包括的所述至少一种电解液成分处在该电解液成分的饱和极限的约10%以内，从而使得侧壁通过所述电解液化学成分而维持在侧壁到电解液的交界面处。
10.一种电解池，包括: 阳极； 与阳极成间隔开关系的阴极； 与阳极液体连通的并具有电解液化学成分的熔融电解液； 电解池主体，包括底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于接触和保留熔融电解液，其中，所述侧壁由作为电解液化学成分中成分的材料构成；以及 进料装置，被设置用于向熔融电解液内提供包括所述成分的进料； 其中，所述电解液化学成分通过进料装置而维持在所述成分的饱和点或接近饱和点，以使侧壁在熔盐电解质内保持稳定。
11.一种电解池，包括: 阳极； 与阳极成间隔开关系的阴极； 与阳极和阴极液体连通的熔融电解液，其中，所述熔融电解液包括含有至少一种电解液成分的电解液化学成分； 电解池主体，其具有底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于保留所述熔融电解液，其中，所述侧壁基本上由所述至少一种电解液成分构成，所述侧壁进一步包括: 第一侧壁部分，被设置为安装到侧壁的隔热封装上并保留电解质；以及 第二侧壁部分，被设置为从电解池主体的底部向上延伸， 其中，第二侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔开，以使第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一侧壁部分和第二侧壁部分之间的基底界定出凹槽； 其中，所述凹槽被设置用于与电解池底部分开地接纳保护性沉积物并且保留保护性沉积物； 其中，所述保护性沉积物被设置用于从凹槽分解到熔融电解液内，以使熔融电解液包括的所述至少一种电解液成分的水平足以在熔融电解液内维持第一侧壁部分和第二侧壁部分。
12.—种电解池，包括: 阳极； 与阳极成间隔开关系的阴极； 与阳极和阴极液体连通的熔融电解液，其中，所述熔融电解液包括含有至少一种电解液成分的电解液化学成分； 电解池主体，其具有底部和围绕底部的至少一个侧壁，其中，所述电解池主体被设置用于保留所述熔融电解液，其中，所述侧壁基本上由所述至少一种电解液成分构成，所述侧壁进一步包括: 第一侧壁部分，被设置为安装到侧壁的隔热封装上并保留电解质；以及第二侧壁部分，被设置为从电解池主体的底部向上延伸，其中，第二侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔开，以使第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一侧壁部分和第二侧壁部分之间的基底界定出凹槽；其中，所述凹槽被设置用于与电解池底部分开地接纳保护性沉积物并且保留保护性沉积物； 其中，所述保护性沉积物被设置用于从凹槽分解到熔融电解液内，以使熔融电解液包括的所述至少一种电解液成分的水平足以在熔融电解液内维持第一侧壁部分和第二侧壁部分；以及 引导元件，其中，所述引导元件位于第一侧壁部分和第二侧壁部分之间，其中，所述引导元件在所述凹槽上方横向间隔开，以使所述引导元件被设置用于将保护性沉积物引导到所述凹槽内。
13.—种组件,包括: 电解侧壁，具有第一侧壁部分和第二侧壁部分， 其中，第二侧壁部分被设置为相对于隔热封装与第一侧壁部分对齐， 其中，第二侧壁部分被设置为以阶梯式结构从侧壁伸出， 其中，第二侧壁部分包括界定出阶梯式结构的上表面和侧面。
14.如权利要求13所述的组件，其中，所述顶面被设置用于提供平面。
15.如权利要求13所述的组件，其中，所述顶面被设置用于提供斜面，其中，所述斜面包括朝向第一侧壁部分的倾斜部，以通过第二侧壁部分的上表面和第一侧壁部分之间的配合来提供凹陷区域。
16.如权利要求13所述的组件，其中，所述凹陷区域被设置用于在其中保留保护性沉积物。
17.如权利要求13所述的组件，其中，所述基底包括所述至少一种电解液成分。
18.如权利要求13所述的组件，其中，所述保护性沉积物包括所述的至少一种电解液成分。
19.如权利要求13所述的组件，其中，所述保护性沉积物从凹槽延伸并且一直延伸到至少电解液的上表面。
20.如权利要求13所述的组件,包括: 引导元件，其中，所述引导元件位于第一侧壁部分和第二侧壁部分之间， 其中，所述引导元件位于所述凹槽的基底上方，其中，所述引导元件被设置用于将保护性沉积物引导到所述凹槽内。
21.如权利要求20所述的组件，其中，所述引导元件由存在于电解液化学成分中的材料构成，以使得所述引导元件通过电解液化学成分而在熔盐电解质内得以维持。
22.如权利要求13所述的组件，其中，所述凹槽的基底由进料块界定，其中，所述进料块由从电解液化学成分的成分中选出的材料构成，其中，所述进料块通过电解液化学成分而在熔盐电解液内得以维持。
23.如权利要求13所述的组件，其中，所述电解池还包括被设置用于提供凹槽内的保护性沉积物的进料器。
24.—种方法,包括: 通过电解池的熔融电解液在阳极和阴极之间输送电流， 向电解池内输送进料，以便为熔融电解液提供至少一种电解液成分， 其中，进料所用速率足以将所述至少一种电解液成分的电解液含量维持在约95%的饱和度以内；并且 通过进料步骤维持由包括所述至少一种电解液成分的材料构成的电解池侧壁。
25.如权利要求24所述的方法，包括: 伴随着第一步骤，维持电解液所处温度不超过960°C，以使得所述电解池的侧壁基本上没有槽帮。
26.如权利要求24所述的方法，包括:消耗保护性沉积物以向电解液提供金属离子。
27.如权利要求24所述的方法，包括:由所述至少一种电解液成分生成金属产物。
【文档编号】C25C3/08GK104047025SQ201410093321
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】刘兴华, 小D·A·韦劳奇, F·E·菲尔普斯, J·M·戴尼斯, J·克尔克霍夫, R·A·迪米利亚 申请人:美铝公司