Impact of cathode slot on current distribution in cathode carbon of an aluminum electrolyticl cell

Impacto de la ranura catódica en la distribución de la corriente en el carbón catódico de una célula electrolítica de aluminio

La distribución de la corriente en una célula electrolítica de aluminio fresco con carbones ranurados se investiga mediante el método de los elementos finitos (MEF). También se determinaron los efectos de la longitud de las ranuras, l_a y l_c, en la distribución de la corriente. La densidad de corriente local máxima y su posición no cambian con un aumento de l_c (0 ≤ l_c ≤ 200 mm) para una ranura de 400 mm situada a 150 mm de la superficie superior del carbón catódico. Sin embargo, la densidad de corriente máxima se desplaza hacia el centro de la célula al aumentar la longitud de la ranura. Así pues, el control de la distribución de la corriente desempeña un papel en la optimización de la longitud de la ranura del cátodo.

INTRODUCCIÓN

El aluminio, que suele fabricarse por el método Hall-Héroult, se utiliza para preparar celdas electrolíticas. Una celda típica (conocida popularmente como olla) tiene ánodos, un electrolito, aluminio fundido, carbones catódicos y otros materiales de revestimiento. La corriente eléctrica entra verticalmente en la célula a través de una barra anódica y sale horizontalmente a través de los colectores catódicos. Los colectores catódicos son barras de acero horizontales integradas en la parte inferior del cátodo, y se conectan secuencialmente a la siguiente célula. La corriente fluye intrínsecamente por el camino de menor resistencia en los conductores, y la concentración máxima de la corriente pasa por el exterior del carbón catódico. Este proceso se ilustra en la Figura 1.

Este flujo de corriente tiene dos efectos adversos en las células. En primer lugar, se producen fluctuaciones en la pastilla de aluminio fundido debido a la interacción de la corriente horizontal (HC) de aluminio fundido con el campo magnético vertical [1].

Esta fluctuación limita la posibilidad de minimizar el espacio entre el ánodo (bloque de carbón anódico) y el cátodo (aluminio fundido), es decir, la distancia ánodo-cátodo (ACD), y aumenta el riesgo de cortocircuitos y reoxidación del aluminio. El otro efecto negativo tiene que ver con la distribución desigual de la corriente catódica a lo largo de la dirección longitudinal del bloque catódico. El desgaste del cátodo, que suele producirse por rayado físico, eliminación química y corrosión electroquímica [23], se intensificará por la distribución desigual de la corriente. Está ampliamente aceptado que dicha distribución desigual de la corriente en el cátodo provocará un desgaste en forma de "W" del bloque catódico de carbono.

La corriente horizontal puede reducirse cambiando la disposición del cátodo. Se han realizado numerosos estudios sobre la modificación de la disposición de la estructura del cátodo, como las barras colectoras [4-7], los carbones del cátodo [8-9], la pasta entre el carbón del cátodo y la barra colectora [10], etc. En un trabajo reciente [11], se propuso un tipo de disposición catódica con un bloque de carbón catódico ranurado. Este modelo se ilustra en la Figura 2.