Результат интеллектуальной деятельности: УЛУЧШЕНИЕ ВЫЛИВКИ АЛЮМИНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕМ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] Эта заявка испрашивает приоритет по заявке на патент США № 12/363248, поданной 30 января 2009 г. и озаглавленной "ENHANCEMENT OF ALUMINUM TAPPING BY APPLICATION OF TARGETED ELECTROMAGNETIC FIELD", которая включена сюда по ссылке во всей своей полноте.

Предпосылки

[0002] Электролизер представляет собой контейнер, содержащий электролит, через который посредством системы электродов (например, анода и катода) пропускают генерируемый извне электрический ток для того, чтобы изменить состав материала. Например, с помощью электролизера соединение алюминия (например, Al₂O₃) может быть разложено до чистого металлического алюминия (Al). После получения металла его обычно удаляют из электролизера с помощью ковша и вакуумной системы всасывания.

Сущность изобретения

[0003] Настоящее изобретение относится к системам, способам и аппаратам для облегчения удаления расплавленных жидкостей из электролизера. В одном аспекте предусмотрена система. Эта система может включать в себя контейнер и соединенный с контейнером электрический источник. Электрический источник может быть выполнен с возможностью подавать вспомогательный ток на желоб контейнера. Этот вспомогательный ток может создавать вспомогательное электромагнитное поле по меньшей мере вблизи участка-наконечника желоба. Когда желоб контейнера получает вспомогательный ток и когда желоб находится в жидкостном сообщении с расплавленной жидкостью электролизера, вспомогательное электромагнитное поле вспомогательного тока может по меньшей мере частично помочь создать поток и/или увеличить поток расплавленного металла в желоб контейнера.

[0004] "Увеличить поток расплавленного металла в желоб контейнера" означает заставить расплавленный металл течь в желоб с большей скоростью (величиной расхода), чем та, которая была бы достигнута без создания вспомогательного электромагнитного поля, благодаря вспомогательному току вблизи участка-наконечника желоба. Например, для удаления расплавленной жидкости из электролизера по желобу с первой скоростью удаления может применяться вакуумная система. Электрический источник, соединенный с контейнером, может подавать на желоб вспомогательный ток, создающий вспомогательное электромагнитное поле вблизи участка-наконечника желоба и заставляющий расплавленный металл течь в желоб со второй скоростью удаления, причем вторая скорость удаления больше, чем первая скорость удаления.

[0005] Ток представляет собой поток электрически заряженных частиц в среде между двумя точками с разницей электрического потенциала. Например, при подсоединении к электрическому источнику ток может течь из желоба контейнера и в расплавленную жидкость. Ток может создавать электромагнитное поле.

[0006] Вспомогательный («дополнительный») ток - это ток, подаваемый напрямую и целенаправленно на контейнер (например, желоб контейнера) с целью наведения вспомогательного («дополнительного») электромагнитного поля вблизи контейнера так, чтобы увеличить поток расплавленного металла в контейнер. Например, вспомогательный ток может подаваться на желоб контейнера за счет соединения электрического источника с контейнером таким образом, чтобы навести вспомогательное электромагнитное поле заданного диапазона вблизи участка-наконечника желоба. Напротив, стандартный ток - это ток, который обычно подают на электролизер для способствования изменению состава материала (например, путем восстановления), а не с целью создания вспомогательного тока вблизи желоба с тем, чтобы увеличить поток расплавленного металла в желоб.

[0007] Вспомогательный ток, подаваемый на желоб, обычно составляет диапазон от примерно 400 ампер до примерно 2200 ампер. В одном варианте осуществления вспомогательный ток, подаваемый на желоб, составляет по меньшей мере примерно 500 ампер. В других вариантах осуществления вспомогательный ток, подаваемый на желоб, составляет по меньшей мере примерно 750 ампер, или по меньшей мере примерно 1000 ампер, или по меньшей мере примерно 1250 ампер, или по меньшей мере примерно 1500 ампер. В одном варианте осуществления вспомогательный ток, подаваемый на желоб, составляет не более примерно 2000 ампер. В одном варианте осуществления вспомогательный ток, подаваемый на желоб, лежит в диапазоне от 1700 до 2000 ампер.

[0008] Электромагнитное поле - это любое поле, обладающее как электрическими, так и магнитными свойствами и создаваемое током. Например, вспомогательное электромагнитное поле может быть создано в расплавленном металле вблизи участка-наконечника желоба посредством вспомогательного тока.

[0009] Вспомогательное электромагнитное поле - это электромагнитное поле, преимущественно создаваемое посредством вспомогательного тока. В одном варианте осуществления вспомогательное электромагнитное поле вблизи участка-наконечника желоба составляет диапазон от одного гаусса до трехсот гаусс, в зависимости от величины подаваемого на желоб вспомогательного тока.

[0010] Электромагнитная сила - это сила, которую электромагнитное поле оказывает на одну или более электрически заряженных частиц. Например, электромагнитная сила может создаваться в расплавленном металле посредством поданного тока.

[0011] Электрический источник представляет собой любое устройство, способное подавать и/или менять электрический ток и/или электрическое напряжение. Например, электрический источник может быть выполнен с возможностью подавать постоянный или переменный (изменяющийся) электрический ток на желоб контейнера. В одном варианте осуществления электрическим источником является анодная шина электролизера. Анодная шина является носителем, используемым для подвода заряда к электродам электролизера, где ток входит в электролизер. Например, анодная шина используется для пропускания электрического тока в электролизер через аноды. В другом варианте осуществления электрическим источником является катодная шина электролизера. Катодная шина является носителем, используемым для сбора заряда с электродов электролизера, где ток выходит из электролизера. Например, катодная шина используется для сбора прошедшего через электролизер электрического тока посредством катодов. В другом варианте осуществления электрическим источником является электрический источник, отдельный от источника электролизера.

[0012] В одном варианте осуществления контейнер включает в себя корпус и желоб, соединенный с корпусом. Корпус может быть приспособлен содержать расплавленный металл (например, алюминий), например выполнен в виде контейнера типа ковш. Желоб представляет собой соединенный с контейнером элемент, который обеспечивает прохождение жидкостей в контейнер или из контейнера. Желоб может включать в себя участок-основание, участок-наконечник и канал, соединяющий участок-основание с участком-наконечником. Участок-основание может быть соединен с корпусом контейнера. Участок-наконечник может быть приспособлен соприкасаться с расплавленной жидкостью электролизера. Эта расплавленная жидкость может проходить в корпус контейнера по каналу.

[0013] Расплавленная жидкость представляет собой любые элемент или соединение в жидком виде при повышенной температуре. Эта расплавленная жидкость может включать в себя по меньшей мере одно из расплавленного металла и электролита. Например, в алюминиевом электролизере по меньшей мере часть расплавленной жидкости могут составлять металлический алюминий (Al) и/или криолит. Расплавленный металл означает любой металл в жидком виде при повышенной температуре. Например, в алюминиевом электролизере расплавленный металл может составлять алюминий (Al).

[0014] Электролизер представляет собой контейнер, содержащий электролит, через который посредством системы электродов (например, анода и катода) пропускают внешний электрический ток для того, чтобы изменить состав материала. Например, с помощью электролизера соединение алюминия (например, Al₂O₃) может быть разложено до чистого металлического алюминия (Al).

[0015] В одном варианте осуществления система включает в себя вакуумную систему, выполненную с возможностью извлечения расплавленной жидкости электролизера в контейнер по желобу. Вакуумная система представляет собой любое устройство, выполненное с возможностью удаления расплавленной жидкости из электролизера за счет удаления молекул газа из герметизированного объема с тем, чтобы оставить после себя частичный вакуум. Например, вакуумная система может быть использована для извлечения расплавленной жидкости электролизера в желоб контейнера.

[0016] В одном варианте осуществления вспомогательное электромагнитное поле вспомогательного тока по меньшей мере частично помогает уменьшить перемешивание расплавленного металла и электролита вблизи участка-наконечника желоба по мере того, как расплавленный металл затекает в желоб. "Уменьшить перемешивание расплавленного металла и электролита вблизи участка-наконечника желоба по мере того, как расплавленный металл затекает в желоб", означает снизить степень перемешивания расплавленного металла и электролита вблизи наконечника желоба посредством вспомогательного тока и на величину, которая является заметной по сравнению с той степенью перемешивания, которая обычно имеет место в отсутствие вспомогательного тока. Например, соединенный с контейнером электрический источник может подавать на желоб вспомогательный ток, наводящий вспомогательное электромагнитное поле вблизи участка-наконечника желоба и вызывающий уменьшение количества электролита, который примешивается в расплавленный металл, затекающий в желоб контейнера.

[0017] Предусмотрены также способы извлечения расплавленного металла из электролизера. В одном аспекте способ может включать в себя этапы протекания расплавленной жидкости электролизера через желоб контейнера, пропускания (например, сопутствующего этапу протекания) вспомогательного тока через желоб контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости и наведения (например, сопутствующего по меньшей мере этапу пропускания) вспомогательного электромагнитного поля заданного диапазона вблизи участка-наконечника желоба посредством вспомогательного тока. Этап наведения может приводить по меньшей мере к увеличенному потоку расплавленного металла в желоб контейнера. Этап наведения может по меньшей мере уменьшать перемешивание расплавленного металла и электролита вблизи участка-наконечника желоба по мере того, как расплавленный металл затекает в желоб.

[0018] В одном варианте осуществления этап пропускания включает в себя по меньшей мере один из следующих этапов: (i) протекание вспомогательного тока от анодной шины электролизера к желобу контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости, и (ii) протекание вспомогательного тока от катодной шины электролизера к желобу контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости.

[0019] В одном варианте осуществления способ включает в себя создание, в ответ на этап протекания, вспомогательного электромагнитного поля по меньшей мере вблизи участка-наконечника желоба в диапазоне от одного до трехсот гаусс. В одном варианте осуществления способ включает в себя приложение вакуума к контейнеру (например, посредством вакуумной системы) с тем, чтобы извлечь расплавленную жидкость электролизера из электролизера в контейнер по желобу.

[0020] Различные из вышеуказанных аспектов, подходов и вариантов осуществления могут комбинироваться, давая различные системы, аппараты и способы, предназначенные для улучшения удаления расплавленного металла из электролизера посредством целенаправленного электромагнитного поля. Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки изобретения изложены отчасти в нижеследующем описании и станут понятными специалистам в данной области техники после изучения следующего описания и фигур или же могут быть усвоены при осуществлении изобретения на практике.

Краткое описание чертежей

[0021] ФИГ. 1 представляет собой схематический вид одного варианта осуществления контейнера и электролизера, применимых в соответствии с настоящим изобретением.

[0022] ФИГ. 2 показывает блок-схему одного варианта осуществления способов, применимых для увеличения потока расплавленного металла в желоб контейнера.

Подробное описание

[0023] Обратимся теперь подробно к приложенным чертежам, которые по меньшей мере помогают проиллюстрировать различные относящиеся к настоящему изобретению варианты осуществления.

[0024] В широком смысле настоящее изобретение относится к системам, способам и аппаратам для извлечения жидкостей (например, расплавленного алюминия) из электролизера. Эти системы, способы и аппараты могут использовать электрический источник, который подает вспомогательный ток на желоб контейнера, так что, когда желоб находится в жидкостном сообщении с жидкостями электролизера, вблизи участка-наконечника желоба создается вспомогательное электромагнитное поле. Это вспомогательное электромагнитное поле по меньшей мере частично помогает увеличить поток расплавленного металла в желоб контейнера. Как описано выше, вспомогательный ток - это ток, подаваемый напрямую и целенаправленно на контейнер (например, желоб контейнера) с целью наведения вспомогательного электромагнитного поля вблизи контейнера. Вспомогательное электромагнитное поле является электромагнитным полем, преимущественно создаваемым посредством вспомогательного тока.

[0025] В одном варианте осуществления и со ссылкой теперь на ФИГ. 1 система 1 включает в себя контейнер 10 (например, ковш), который имеет корпус 12, приспособленный содержать расплавленный металл 34 электролизера 30. Желоб 20 контейнера 10 содержит участок-основание 22, участок-наконечник 24 и участок-трубу 26, соединяющий участок-основание 22 с участком-наконечником 24. Участок-основание 22 желоба 20 соединен с корпусом 12 контейнера 10, а внутри желоба 20 расположен канал 28. Канал 28 простирается по меньшей мере от участка-наконечника 24 желоба 20 до участка-основания 22 желоба 20, чтобы способствовать течению жидкости в корпус 12 контейнера 10. Другими словами, канал 28 способствует жидкостному сообщению между наконечником 24 желоба 20 и корпусом 12 контейнера 10.

[0026] Участок-наконечник 24 желоба 20 приспособлен соприкасаться с расплавленной жидкостью электролизера 30. С участком-основанием 22 желоба 20 электрически соединен электрический источник 38 проводом 40. В показанном варианте осуществления электрическим источником 38 является анодная шина 38 электролизера 30. Однако в других вариантах осуществления электрическим источником 38 может быть катодная шина 32 электролизера 30 или любой другой независимый источник питания. Электрический источник 38 может быть выполнен с возможностью подавать вспомогательный ток (не показан) на желоб 20 контейнера 10 по проводу 40 и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости. Этот вспомогательный ток может создавать вспомогательное электромагнитное поле по меньшей мере вблизи участка-наконечника 24 желоба 20, которое может помогать удалению расплавленного металла 34 из электролизера 30.

[0027] Например, в некоторых вариантах осуществления вакуумная система (не показана) соединена с контейнером 10 и может применяться для облегчения удаления расплавленной жидкости из электролизера 30 в контейнер 10 по желобу 20. Когда желоб 20 находится в жидкостном сообщении с расплавленной жидкостью электролизера 30, вспомогательное электромагнитное поле вспомогательного тока может по меньшей мере частично помогать увеличению потока расплавленного металла 34 в желоб 20 контейнера 10, взаимодействуя с вспомогательным током и создавая силу (например, электромагнитную силу), действующую на расплавленный металл 34 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20. Аналогично, вспомогательное электромагнитное поле вспомогательного тока может по меньшей мере частично помогать уменьшению перемешивания расплавленного металла 34 и электролита 36 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20 контейнера 10, взаимодействуя с вспомогательным электромагнитным полем и создавая силу, действующую на расплавленный металл 34 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20.

[0028] Вообще говоря, величина вспомогательного электромагнитного поля вблизи участка-наконечника 24 желоба 20, необходимая для достижения увеличенного потока расплавленного металла 34 в желоб 20 контейнера 10 и/или уменьшенного перемешивания расплавленного металла 34 и электролита 36, составляет по меньшей мере примерно 1 гаусс и зависит от величины подаваемого на желоб 20 вспомогательного тока. В одном варианте осуществления величина вспомогательного электромагнитного поля составляет не больше чем примерно 300 гаусс. В других вариантах осуществления величина вспомогательного электромагнитного поля вблизи участка-наконечника 24 желоба 20 составляет по меньшей мере примерно 10 гаусс. В других вариантах осуществления величина вспомогательного электромагнитного поля составляет по меньшей мере примерно 20 гаусс, или по меньшей мере примерно 30 гаусс, или по меньшей мере примерно 40 гаусс. В одном варианте осуществления величина вспомогательного электромагнитного поля вблизи участка-наконечника 24 желоба 20 составляет не более примерно 250 гаусс. В других вариантах осуществления величина вспомогательного электромагнитного поля составляет не более примерно 200 гаусс, или не более примерно 150 гаусс, или не более примерно 100 гаусс. Вспомогательное электромагнитное поле вблизи участка-наконечника 24 желоба 20 может лежать в пределах различных диапазонов.

[0029] Как описано выше, вакуумная система может применяться для облегчения удаления расплавленного металла 34 из электролизера 30. В других вариантах осуществления может быть возможным удалять расплавленный металл 34 из электролизера в основном, или даже исключительно, с помощью приложения вспомогательного тока и в отсутствие вакуумной системы. Например, когда вспомогательный ток достаточно высок (например, по меньшей мере 1700 ампер), вспомогательное электромагнитное поле, созданное вблизи участка-наконечника желоба 24, может быть достаточно высоким, чтобы вызвать достаточную электромагнитную силу для удаления расплавленного металла 34 из электролизера 30 в контейнер 10 и в отсутствие вакуумной системы. Например, вспомогательное электромагнитное поле может по меньшей мере частично вызывать сифонный эффект в желобе 20, тем самым приводя к удалению расплавленного металла 34 из электролизера 30 и в отсутствие вакуумной системы.

[0030] В других вариантах осуществления может быть полезным уменьшить количество электролита 36, который смешивается с расплавленным металлом 34 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20, иногда и в отсутствие вакуумной системы. Например, расплавленный металл 34 в электролизере 30 может перемещаться беспорядочным движением, заставляя электролит 36 примешиваться в расплавленный металл 34 без приложения вакуума к электролизеру 30. Уменьшения количества электролита 36, который примешивается в расплавленный металл 34 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20, можно добиться, как упоминалось выше, благодаря электрическому источнику 38, подающему вспомогательный ток на желоб 20 контейнера 10 по проводу 40, создавая вспомогательное электромагнитное поле вблизи участка-наконечника 24 желоба 20. Это вспомогательное электромагнитное поле создает силу, действующую на расплавленный металл 34 вблизи участка-наконечника 24 желоба 20. Это уменьшенное перемешивание может быть полезным, например, чтобы улучшить процесс выливки (выпуска из) электролизера.

[0031] Предусмотрены также способы выливки алюминия из электролизеров, один вариант осуществления которых проиллюстрирован на фиг. 2. В показанном варианте осуществления способ (200) включает в себя этапы протекания расплавленной жидкости электролизера через желоб контейнера (220), пропускание вспомогательного тока через желоб контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости (230) и наведение вспомогательного электромагнитного поля заданного диапазона вблизи участка-наконечника желоба посредством вспомогательного тока (240). Каждый из этих этапов может совершаться последовательно или параллельно, перекрываясь или не перекрываясь, а значит, они могут сопутствовать друг другу.

[0032] Как отмечено выше, способ может включать в себя протекание расплавленной жидкости электролизера через желоб контейнера (220). Этап протекания (220) может необязательно включать в себя этап приложения вакуума для извлечения расплавленной жидкости электролизера в контейнер по желобу (270), например, чтобы по меньшей мере частично помочь обеспечению этапа протекания (220), например, посредством вакуумной системы.

[0033] Что касается этапа пропускания (230), то вспомогательный ток может проходить через желоб контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости. Этот этап пропускания (230) может включать в себя протекание вспомогательного тока от электрического источника электролизера к желобу контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости (260). Например, этап (260) может включать в себя протекание вспомогательного тока от анодной шины электролизера (261) или катодной шины электролизера (262) к желобу контейнера и в по меньшей мере часть расплавленной жидкости. В ответ на этап протекания (260) по меньшей мере вблизи участка-наконечника желоба может создаваться (264) вспомогательное электромагнитное поле, такое как в диапазоне от одного до трехсот гаусс.

[0034] Что касается этапа наведения (240), то в одном подходе этап наведения (240) приводит по меньшей мере к увеличенному потоку расплавленного металла в желоб контейнера. Этот этап наведения (240) может приводить к увеличенному потоку расплавленного металла в желоб контейнера (250). Этап наведения (240) может также дополнительно приводить к уменьшенному перемешиванию расплавленного металла и электролита вблизи участка-наконечника желоба по мере того, как расплавленный металл затекает в желоб (252). Этап создания (262) может быть частью (всего или части) этапа наведения (240).

[0035] Хотя выше были подробно описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, очевидно, что специалистам в данной области техники придут на ум модификации и переделки этих вариантов. Однако следует четко понимать, что такие модификации и переделки находятся в рамках сути и объема настоящего изобретения.