保护电解槽侧壁的系统与方法
【专利说明】保护电解槽侧壁的系统与方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请是非临时性的，要求2014年9月10日提交的美国专利申请号 62/048, 391的优先权，通过引用将其整体并入本文。
【背景技术】
[0003] 传统上，电解槽的侧壁由热传导材料构成，以沿着整个侧壁（和槽浴的上表面）形 成冷帮（frozen ledge)从而维持电解槽的完整性。
技术领域
[0004] 广义上，本公开涉及电解槽的侧壁特征（如：内部侧壁或热表面），其在电解槽的 操作中（如：在电解槽中生产金属）保护侧壁免受电解浴影响。更具体地，在没有沿整个内 部侧壁或者一部分内部侧壁的冷帮的情况下，内部侧壁特征提供与电解槽中的金属、浴和/ 或蒸气的直接接触。
【发明内容】
[0005] 通过本公开的各种实施方案，用本公开的一个或者多个侧壁实施方案至少部分地 替代电解槽侧壁。
[0006] 在一些实施方案中，提供了一种稳定的侧壁材料，通过使槽浴（bath)化学组成中 的一种或多种成分维持在特定的饱和度百分比，使得该侧壁材料在熔融电解液（如槽浴） 中是稳定的（例如基本上是非反应性的）。在一些实施方案中，在电解槽中通过至少一个 进料装置（例如沿着侧壁定位）维持槽浴化学组成，该进料装置向电解槽中提供进料（例 如该进料保持为位于电解槽侧壁附近的保护沉积物）。在一些实施方案中，该保护沉积物 向槽浴（例如向紧邻侧壁的槽浴中）提供至少一种槽浴成分（例如氧化铝）。作为一个非 限制性实例，随着保护沉积物慢慢溶解，邻近侧壁的槽浴化学组成处于或接近该槽浴成分 的饱和度，从而保护侧壁免于因与熔融电解液/槽浴相互作用而溶解（例如溶解/侵蚀）。 在一些实施方案中，对于特定的槽浴成分（例如氧化铝）槽浴的百分比饱和度在电解槽运 行条件下（例如温度、槽浴比率、和槽浴化学组成和/或含量）是进料浓度（例如氧化铝） 的函数。
[0007] 在一些实施方案中，本公开的侧壁相比于传统的热传导材料封装提供如下能量节 省：至少约5 % ;至少约10% ;至少约15% ;至少约20% ;至少约25% ;或至少约30%。
[0008] 在一些实施方案中，热通量（即，在电解槽运行期间跨电解槽侧壁的热量损失） 为：不大于约8kW/m 2;不大于约4kW/m2;不大于约3kW/m2;不大于约2kW/m2;不大于约IkW/ m2;不大于约 0. 75kW/m2。
[0009] 在一些实施方案中，热通量（即，在电解槽运行期间跨电解槽侧壁的热量损失） 为：至少约8kW/m 2;至少约4kW/m2;至少约3kW/m2;至少约2kW/m2;至少约lkW/m 2;至少约 0. 75kff/m2〇
[0010] 与此形成鲜明对比的是，市售的霍尔槽运行时具有约8-15kW/m2的跨侧壁的热通 量。
[0011] 在本公开的一个方面，提供了一种系统，该系统包括：电解槽，该电解槽配置为保 持熔融电解液槽浴，该槽浴包括至少一种槽浴成分，该电解槽包括：底部（例如阴极或金属 垫）和侧壁，该侧壁基本上由所述至少一种槽浴成分构成；和进料系统，该进料系统配置为 将包括所述至少一种槽浴成分的进料加入到熔融电解液槽浴中，使得该至少一种槽浴成分 在饱和度的约5 %内，其中，通过所述进料，使得侧壁在熔融电解液槽浴中稳定。
[0012] 在一些实施方案中，槽浴包含的进料（例如氧化铝）含量超过其饱和度极限（例 如使得在槽浴中存在微粒）。
[0013] 在一些实施方案中，槽浴成分（例如氧化铝）包含如下平均槽浴含量：在饱和度的 约5%内；在饱和度的约2%内；在饱和度的约1%内；在饱和度的约0.5%内；处于饱和；或 高于饱和（例如在槽浴中存在槽浴成分的未溶解微粒）。
[0014] 在一些实施方案中，槽浴成分的饱和为：饱和度的至少约95% ;饱和度的至少约 96% ;饱和度的至少约97% ;饱和度的至少约98% ;饱和度的至少约99% ;处于100%饱和 度；或高于饱和度（例如在槽浴中存在槽浴成分的未溶解微粒）。
[0015] 在一些实施方案中，槽浴成分的饱和为：饱和度的不大于约95%;饱和度的不大于 约96% ;饱和度的不大于约97% ;饱和度的不大于约98% ;饱和度的不大于约99% ;饱和 度的不大于100%。
[0016] 在一些实施方案中，侧壁成分包含高于电解液槽浴中的一定饱和度阈值的饱和度 百分数（例如对于电解槽工作参数）。
[0017] 在一些实施方案中（例如当侧壁成分是氧化铝时），通过LECO分析法分析测定氧 化铝的饱和度（即平均饱和度％)。在一些实施方案中（即侧壁材料不是氧化铝时，例如 Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La 和 Ce)，利用 AA、ICP、XRF 和 / 或它们的组 合以及其它常见的公认分析方法来量化平均饱和度％。在一些实施方案中，确定稳定材料 的饱和度％的分析方法包括与该分析方法有关的校正误差（例如LECO测量方法具有通常 +/-5%的误差率）。
[0018] 在一些实施方案中，侧壁成分在槽浴中以如下平均％饱和度含量存在：饱和度的 至少70 %;饱和度的至少75 %;饱和度的至少80 %;饱和度的至少85 %;饱和度的至少90 %; 饱和度的至少95% ;饱和度的至少100% (即饱和的）；或饱和度的至少105% (即超过饱 和）。
[0019] 在一些实施方案中，侧壁成分在槽浴中以如下平均％饱和度含量存在：饱和度的 不大于70% ;饱和度的不大于75% ;饱和度的不大于80% ;饱和度的不大于85% ;饱和度 的不大于90% ;饱和度的不大于95% ;饱和度的不大于100% (即饱和的）；或饱和度的不 大于105% (即超过饱和）。
[0020] 在一些实施方案中，槽浴成分包含以电解槽各处平均值测量的槽浴含量饱和度百 分数。在一些实施方案中，槽浴成分包含在邻近侧壁（例如非反应性的/稳定的侧壁材料） 位置测得的槽浴含量饱和度百分数。
[0021] 在一些实施方案中，邻近侧壁的位置是如下的槽浴：接触所述壁；距离所述壁不 超过约1" ；距离所述壁不超过约2" ；距离所述壁不超过约4" ；距离所述壁不超过约6" ；距 离所述壁不超过约8" ;距离所述壁不超过约10" ；距离所述壁不超过约12" ;距离所述壁不 超过约14";距离所述壁不超过约16";距离所述壁不超过约18";距离所述壁不超过约20"； 距离所述壁不超过约22" ；或距离所述壁不超过约24"。
[0022] 在一些实施方案中，邻近侧壁的位置是如下的槽浴：接触所述壁；距离所述壁小 于约1" ;距离所述壁小于约2" ;距离所述壁小于约4" ;距离所述壁小于约6" ;距离所述壁 小于约8";距离所述壁小于约10";距离所述壁小于约12";距离所述壁小于约14";距离所 述壁小于约16" ；距离所述壁小于约18" ；距离所述壁小于约20" ；距离所述壁小于约22" ； 或距离所述壁小于约24"。
[0023] 在本公开的一个方面，提供了一种系统，其包括：电解槽本体，该电解槽本体配置 为保持熔融电解液槽浴，该槽浴包括氧化铝，该电解槽包括：底部（例如阴极或金属垫）和 基本上由氧化铝构成的侧壁；和进料器系统，该进料器系统配置为向熔融电解液槽浴中提 供包括氧化铝的进料，使得氧化铝的槽浴含量在饱和度的约10 %之内，其中通过该槽浴含 量，侧壁在熔融电解液槽浴中稳定。
[0024] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，该电解槽包括：阳极；与阳极间隔开的 阴极；与阳极和阴极液体连通的电解液槽浴，该槽浴具有包含多种槽浴成分的槽浴化学组 成；电解槽本体，该电解槽本体包括：底部和围绕该底部的至少一个侧壁，其中该侧壁基本 上由槽浴化学组成中的至少一种槽浴成分组成，其中槽浴化学组成包含所述至少一种槽浴 成分，在该成分的饱和度极限的约10 %内，使得通过该槽浴化学组成，侧壁在侧壁与槽浴的 界面处得以维持（例如在电解槽运行期间）。
[0025] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，该电解槽包括：阳极；与阳极间隔开的 阴极；与阳极液体连通的具有槽浴化学组成的熔融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本 体包括底部和围绕该底部的至少一个侧壁，其中该电解槽本体被配置为接触和保持熔融电 解液槽浴，此外其中侧壁由作为槽浴化学组成的成分的材料构建；和进料装置，该进料装置 被配置为向熔融电解液槽浴中提供包括所述成分的进料；其中通过该进料装置，槽浴化学 组成被维持处在或接近该成分的饱和度使得侧壁在熔融盐电解液中保持稳定。
[0026] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，该电解槽包括：阳极；与阳极间隔开的 阴极；与阳极和阴极液体连通的熔融电解液槽浴，其中该熔融电解液槽浴含有包括至少一 种槽浴成分的槽浴化学组成；电解槽本体，该电解槽本体具有：底部和围绕该底部的至少 一个侧壁，其中该电解槽本体被配置为保持熔融电解液槽浴，其中该侧壁基本上由所述至 少一种槽浴成分组成，该侧壁进一步包括：第一侧壁部分，配置为安置到侧壁的热绝缘封装 上以及保持电解液；和第二侧壁部分，配置为从电解槽本体的底部向上延伸，其中第二侧壁 部分与第一侧壁部分纵向间隔，使得第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一部分和第二部 分之间的基底限定出沟槽；其中该沟槽配置为接收保护沉积物和保持该保护沉积物与电解 槽底部（例如金属垫）分离；其中该保护沉积物配置为从该槽溶解到熔融电解液槽浴中，使 得该熔融电解液槽浴包含一定水平的所述至少一种槽浴成分，其足以在熔融电解液槽浴中 维持所述第一侧壁部分和第二侧壁部分。
[0027] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，该电解槽包括：阳极；与阳极间隔开的 阴极；与阳极和阴极液体连通的熔融电解液槽浴，其中该熔融电解液槽浴含有包括至少一 种槽浴成分的槽浴化学组成；电解槽本体，该电解槽本体具有：底部和围绕该底部的至少 一个侧壁，其中该电解槽本体被配置为保持熔融电解液槽浴，其中所述侧壁基本上由所述 至少一种槽浴成分组成，所述侧壁进一步包括：第一侧壁部分，配置为安置到侧壁的热绝缘 封装上以及保持电解液；和第二侧壁部分，配置为从电解槽本体的底部向上延伸，其中第二 侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔，使得第一侧壁部分、第二侧壁部分以及第一部分和第 二部分之间的基底限定出沟槽；其中该沟槽被配置为接收保护沉积物和保持该保护沉积物 与电解槽底部（例如金属垫）分离；其中该保护沉积物被配置为从沟槽溶解到熔融电解液 槽浴中，使得该熔融电解液槽浴包含一定水平的所述至少一种槽浴成分，其足以在熔融电 解液槽浴中维持所述第一侧壁部分和第二侧壁部分；和引导部件，其中该引导部件位于第 一侧壁部分与第二侧壁部分之间，此外其中该引导部件在沟槽上方侧向间隔，使得该引导 部件配置为引导保护沉积物进入沟槽内。
[0028] 在一些实施方案中，侧壁包含第一部分和第二部分，其中第二部分配置为相对于 热绝缘封装与第一侧壁部分联合（align)，此外其中该第二侧壁部分配置为从侧壁（如侧 壁轮廓）以阶梯构造延伸，其中该第二侧壁部分包括界定出该阶梯部分的顶/上表面和侧 表面。在一些实施方案中，顶表面配置为提供平坦表面（例如平坦的，或者与电解槽底部平 行）。在一些实施方案中，顶表面配置为提供倾斜/有角度的表面，其朝向第一侧壁部分倾 斜，使得第一侧壁部分和第二侧壁部分的上表面共同界定出凹陷区域。在一些实施方案中， 倾斜的稳定侧壁朝向电解槽/金属垫的中心（远离侧壁）倾斜。在一些实施方案中，电解 槽包含向电解槽提供进料的进料器，该进料沿着第二侧壁部分的平坦顶表面和/或侧部的 至少一部分作为保护沉积物得以保持。在一些实施方案中，电解槽包括配置为向电解槽提 供进料的进料器，进料沿凹陷区域（例如第二侧壁部分的上表面）保留。
[0029] 在一些实施方案中，基底包含所述至少一种槽浴成分。