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Anordnung von Stromzuführungen zum Unterdrücken magnetischer Effekte in Elektrolysezellen
In der Aluminiumerzeugung werden mehr und mehr Elektrolysezellen mit einer Stromstärke von 100000 Ampère und mehr verwendet, in welchen der Einfluss der magnetischen Felder zum Oszillieren der Oberfläche des am Grunde des Tiegels der Zellen angesammelten flüssigen Metalles führt.
Dieses Oszillieren kann statisch erfolgen, so dass der Metallspiegel unbeweglich bleibt. Es kann sich jedoch auch in mehr oder weniger raschen Bewegungen des Metalles auswirken, die die Ausbeute aus der Elektrolyse merklich verringern.
Die Elektrolysezellen mit hoher Stromstärke haben gewöhnlich die Form eines langgestreckten Rechteckes, dessen eines Seitenpaar bedeutend länger als das andere ist. In der folgenden Beschreibung wird das Magnetfeld und die Stromstärke in einem beliebigen Punkt des flüssigen Metalles definiert durch die Projektion dieser Werte auf drei Koordinatenachsen, deren Nullpunkt die Mitte des Tiegelbodens der Elektrolysezelle ist. Die x-Achse läuft parallel zur Längsseite der Zelle, die y-Achse verläuft in der gleichen waagrechten Ebene senkrecht zur x-Achse, d. h. parallel zu den Schmalseiten des Rechteckes ;
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beyB auf die x-, y- und z- Achse.
J sei der Wert für die Stromdichte und Jx, Jy und Jz die Projektionen von J auf die x-, y-bzw. zAchse.
Die statischen Änderungen im Flüssigkeitsstand des Spiegels des geschmolzenen Metalls sind proportional den Produkten
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Es wurde vorgeschlagen, die horizontalen Längskomponenten Jx durch geschickte Berechnung der Leiter zu unterdrücken, die von einer Zelle zur folgenden führen, um den Strom im Boden der Zelle gut zu verteilen. Diese Anordnung ist von Erfolg.
Es wurde ferner vorgeschlagen, die Transversalströme Jy zu verringern oder zu unterdrücken, indem man um das gesamte flüssige Metall herum Böschungen aus festen Fluoriden anordnete, derart, dass man eine Kathodenoberfläche erhielt, die im wesentlichen der Anodenoberfläche gleich war. Man erhält auf diese Weise gute Elektrolyseausbeuten, selbst wenn noch Magnetfelder vorhanden sind. Allerdings arbeitet die Elektrolysezelle stets umso besser und umso stabiler, je mehr die Magnetfelder unterdrückt werden, die auftreten, wenn der Strom sich gelegentlich verzweigt, d. h. wenn die Komponente Jy nicht gleich Null ist.
Es wurde vorgeschlagen, die Stärke des Magnetfeldes B zu verringern, indem man die an der Aussenseite der Zelle befindlichen Leiter in eine möglichst grosse Anzahl kleinerer Leiter aufteilt, die in Bahnen in einer gewissen Entfernung von dem Metall angeordnet sind. Man erhält so eine bedeutende Verbesserung, jedoch beeinträchtigen diese Anordnungen manchmal die Arbeit des Bedienungspersonals.
Schliesslich hat man vorgeschlagen, die Magnetfelder dadurch zu unterdrücken, dass man die Leiter in grosser Entfernung von dem flüssigen Metall anordnet, u. zw. immer abwechselnd derart, dass durch
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eine gewisse Symmetrie hinsichtlich dieses Punktes, was zu einer ausreichenden Stabilität beim Arbeiten der Elektrolysezelle führt.
Die Vertikalkomponente Bz des durch die horizontalen Leiter in der Nähe der Zelle geschaffenen Feldes ist aus Gründen der Symmetrie gleich Null.
Auch die transversale Komponente Jy der Stromdichte ist aus Gründen der Symmetrie im Zentrum der Zelle gleich Null, ebenso wie Jx. Es existieren daher keine magnetischen Effekte statischer Herkunft.
Die Effekte dynamischer Herkunft hängen von der Grösse eines Drehvektors R ab, der sich berechnen lässt mit Hilfe der Werte für die Komponenten Bx. Byo Bz und für die Stromdichten Jx. Jy, Dz und ihre partiellen Ableitungen.
Mathematisch ausgedrückt gelten für die Projektionen des Vektors R auf die x-bzw. y-bzw. zAchse folgende Gleichungen :
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EMI3.2
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ixherum praktisch konstant ist.
Im Zentrum 0 der Zelle sind die Komponenten Ry und Rz des Drehvektors daher gleich Null und es bleibt :
EMI3.4
Im Zentrum der Wanne kann also eine Rotationsbewegung des Metalles um eine zur y-Achse parallele Achse auftreten. Um diese zu vermeiden, muss Rv gleich Null werden ; die Vertikalkomponente der
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Y ausgedrückte Änderungz-Achse (s. Fig. 3) a genannt, während der senkrechte Abstand einer Linie durch die mittleren Punkte der Leiter 2 gegenüber dem Zentrum 0 der Zelle mit b bezeichnet sei.
Als c sei der Abstand des Leiters 3 von der z-Achse, als d der senkrechte Abstand zwischen 0 und einer Linie durch die mittleren Punkte der Leiter 3 bezeichnet. et I bedeute die von der Seite der vorangehenden Zelle in dem Verteilersystem 2 ankommende Stromstärke (Fig. 4) und (l- < x) 1 die Stromstärke, mit welcher das Verteilersystem von der entgegengesetzten Seite (Fall der Fig. 6) versorgt wird. Im Fall der Fig. 5 ist a = l.
Das im Punkt 0 vorhandene Feld berechnet sich aus dem Strom, der durch die Leiter 2 und 3 fliesst,
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derart, als ob es sich um Leiter von unbestimmter Länge handeln würde, die von der Stromstärke durchflossen sind, die in Wirklichkeit in den Leitern in der Ebene Y 0 Z fliesst. Die Erfahrung lehrt, dass man auf diese Weise in der Praxis eine ausreichende Annäherung erhält.
Man erhält :
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<tb>
<tb> Leiter <SEP> 2, <SEP> Z <SEP> Leiter <SEP> 3, <SEP> 3
<tb> By <SEP> 21 <SEP> (.-l/2) <SEP> - <SEP> 21 <SEP> (c.-3/2)- <SEP> -
<tb> # <SEP> By <SEP> (b2 <SEP> - <SEP> a2) <SEP> (c2 <SEP> - <SEP> d2)
<tb> 2 <SEP> I <SEP> (α <SEP> - <SEP> 1/2) <SEP> 2 <SEP> I <SEP> (α <SEP> - <SEP> 3/2)
<tb> # <SEP> z <SEP> (z2 <SEP> + <SEP> b2)2 <SEP> (d2 <SEP> + <SEP> c2)2
<tb>
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EMI4.3
In diesen Gleichungen kann der Faktor a eliminiert werden, so dass man erhält : d (b2-a2)(d2+c2)+b(d2-c2)(a2+b2) = 0, wodurch die obige zweite Gleichung ersetzt werden kann.
Sind a und b, d. h. die Stellung der Leiter des Verteilungssystems 2, 2', die im allgemeinen durch die Bau- und Arbeitsbedingungen der Zelle bestimmt ist, gegeben, so sieht man, dass die dritte Gleichung eine Kurve dritten Grades darstellt, die unabhängig von der Stromverteilung in dem Verteilersystem (a) ist.
Die erste Gleichung entspricht einem Kreis, dessen Radius mit a variiert. Der Abstand a ist im allgemeinen gering. Setzt man ihn gleich Null, so erhält man die Fig. 7, in welcher 5 die Kurve dritten Grades darstellt, auf welcher sich die Leiter 3,3 stets befinden müssen. 6 ist der Kreis, der einem Wert für a = 1 entspricht, wobei der Strom nur einseitig zugeftihrt wird. Der Radius des Kreises 6 ist gleich b/2. 7 ist der einem Wert für avon 2/3 entsprechende Kreis mit einem Radius von 5b/2.
Die mittlere Stellung der Leiter 3 muss also dem Punkt 8 entsprechen, wenn der Strom dem Verteilersystem 2,2 nur von einer Seite zugeführt wird, und dem Punkt 9, wenn das Verteilersystem von beiden Enden her mit Strom versorgt wird ; hiebei. treten zwei Drittel der Stromstärke durch das der vorangehenden Wanne nähere Ende, ein Drittel durch das andere Ende ein.
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EMI4.5
<tb>
<tb> :(x <SEP> a= <SEP> 2/3 <SEP>
<tb> c/b <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 7
<tb> djb <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
Hiebei ist vorausgesetzt, dass der Abstand b des Verteilersystems 2,2 von dem Tiegelboden bekannt ist. Dies ist der häufigste Fall, es kann jedoch auch angenommen werden, dass eine der Dimensionen c oder d bekannt ist, wobei sich eine Lösung der obigen Gleichungen ergibt, die den Umfang der Erfindung nicht überschreitet.
Die obige Stellung für die seitlichen Leiter stellt die mittlere Stelle der Leiter dar, die in eine möglichst grosse Anzahl von parallelen, in Bahnen angeordneten Leitern aufgeteilt und um diese Mittellinie herum angeordnet sein können.
Die Berechnungen wurden ausgeführt, ohne den magnetischen Schirmeffekt des Eisenbehälters, der
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den Tiegel der Elektrolysezelle umgibt und enthält, zu berücksichtigen. Da dieser Behälter dieselben Symmetrieelemente aufweist wie der Tiegel, kann er die magnetischen Felder beträchtlich schwächen, jedoch ihre Richtung nicht verändern.
Es ist schwierig, die Bedeutung des Schirmeffektes genau abzuschätzen, wenn man jedoch voraussetzt, dass das von den Leitern 3,3 erzeugte Feld um die Hälfte geschwächt wird, was sicherlich eine obere Grenze bedeutet, so findet man, dass es, falls man sicher gehen will, dass im Punkt 0 keine magnetischen Effekte auftreten, ausreicht, die Leiter 3 auf der Kurve 5 (Fig. 7) anzuordnen, u. zw. beim Schnittpunkt mit dem Kreis 10 (Radius 7b/6), d. h. im Punkt 11. a ist dann gleich 0,8, d. h. dass 80% des gesamten Amperebetrages an das Ende des Verteilungssystems 2 geführt werden müssen, welches an der Seite der vorangehenden Wanne liegt, und 20tao an das andere Ende.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie einzuschränken.
Beispiel 1 : Eine der Länge nach angeordnete Elektrolysezelle mit 100000 Ampère, deren Verteilerschienen 2 von beiden Enden her (Fig. 6) mit Strom versorgt werden, zeigte eine schlechte Verteilung der Magnetfelder :
An der der vorangehenden Zelle zugewandten Seite war das Feld schwach, im Zentrum stärker und sehr stark an dem der folgenden Zelle zugewandten Ende. Das flüssige Metall am Boden des Zellentiege1s war einer Rotation unterworfen und seine Oberfläche zeigte unregelmässige Niveauschwankungen, die im Maximum 5 cm erreichten.
Der Lauf der Zelle war sehr unstabil, das Bad erstarrte an den Tiegelwänden an derjenigen Seite des Tiegels, wo das Feld schwach war, wodurch die aktive Zone eingeengt wurde, und anderseits war es unmöglich, die Böschungen aus festem Fluorid an der entgegengesetzten Seite, d. h. an der der nachfolgenden Zelle zugewandten Seite, aufrechtzuerhalten.
Ordnete man die Leiter 3,3 gemäss der Erfindung an, so wurden im Mittelpunkt 0 der Zelle die magnetischen Effekte gleich Null. Sie waren, bezogen auf den Punkt 0, im ganzen symmetrisch. Die Schwankungen in der Oberfläche des flüssigen Metalls verschwanden praktisch vollständig und es liessen sich an allen Seiten des Tiegels regelmässige Böschungen aus verfestigten Fluoriden aufrechterhalten. Die Arbeitsweise der Zelle ist viel stabiler und man erhält eine Herabsetzung des Energieverbrauches um 800 kWh je Tonne Aluminium.
Beispiel 2 : Es wurde eine Elektrolysezelle mit 50000 Ampere benutzt, die mit gebackenen Anoden ausgerüstet und der Länge nach angeordnet war. Die Verteilerschienen 2,2 wurden nur von einer
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ten magnetische Felder mit einer sehr starken Horizontalkomponente By an derSeitedervorhergeh8nGen Wanne, die in der Nähe des Punktes Ode Hälfte des Wertes der ersteren betrug und an der entgegengesetzten Seite gleich Null wurde. Die Felder wiesen jedoch eine sehr starke vertikale Komponente Bz auf.
Die Arbeitsweise der Zelle war sehr instabil und es waren sämtliche in Beispiel 1 beschriebenen Erscheinungen zu beobachten.
Nach Änderung der Stellung der Leiter 3,3 gemäss der Erfindung (Punkt 8 der Fig. 7) wurde eine Verbesserung erzielt, die der oben beschriebenen entsprach. Der Verlauf der Elektrolyse war sehr stabil und die Ausbeute war um mehr als 31o erhöht, so dass sie von 84 auf über 87% der theoretischen Ausbeute anstieg.
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