BRPI0515877B1 - método para operar células de eletrólise de alta intensidade do tipo hall-héroult, e, sistema para uma conexão elétrica e compensação magnética em uma ou mais séries de células de eletrólise de alta intensidade do tipo hall-héroult - Google Patents

Abstract

"método para operar células de eletrólise de alta intensidade do tipo hall-héroult, e, sistema para uma conexão elétrica e compensação magnética em uma ou mais séries de células de eletrólise de alta intensidade do tipo hall-héroult". a presente invenção refere-se a um método e a um sistema para a conexão elétrica entre as sucessivas células (cadinhos) arranjadas em série para a produção de alumínio por meio de eletrólise do alumínio dissolvido na criolita fundida, por meio do processo de hall-h. a invenção é aplicada a séries de células arranjadas transversalmente ao eixo das (linhas de) séries e que operam a uma corrente maior do que 300 ka e, possivelmente, acima de 600 ka. a presente invenção combina as diferentes vantagens dos conceitos de projeto conhecidos em soluções técnicas originais eficientes para cadinhos grandes. a solução otimiza o campo magnético resultante e os parâmetros de desempenho de barramento, como queda de voltagem, carga, distribuição de corrente, distribuição e níveis médios de campo magnético, distância entre-fileira, soluções de anodisador e espaçp físico para as exigências de barramento.

Description

“MÉTODO PARA OPERAR CÉLULAS DE ELETRÓLISE DE ALTA

INTENSIDADE DO TIPO HALL-HÉROULT, E, SISTEMA PARA UMA

CONEXÃO ELÉTRICA E COMPENSAÇÃO MAGNÉTICA EM UMA OU

MAIS SÉRIES DE CÉLULAS DE ELETRÓLISE DE ALTA INTENSIDADE DO TIPO HALL-HÉROULT” A presente invenção refere-se a um método e a um sistema para a conexão elétrica entre as sucessivas células (cadinhos) arranjadas em série para a produção de alumínio, por meio da eletrólise do alumínio dissolvido na criolita fundida, por meio do assim chamado processo de Hall- Héroult, e para a compensação magnética do mesmo. A invenção é aplicada, de preferência, a séries de células arranjadas transversalmente ao eixo das (linhas de) séries e que operam a uma corrente maior do que 300 kA e, possivelmente, acima de 600 kA. A presente invenção combina as diferentes vantagens dos planejamentos conhecidos em soluções técnicas originais custo-efícazes para cadinhos grandes. A solução otimiza uma combinação do campo magnético resultante com os parâmetros de desempenho de barramento, como queda de voltagem, peso, distribuição de corrente, distribuição e níveis médios de campo magnético, soluções de tubo ascendente de anodo e espaço físico para as exigências de barramento.

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

Para o bom entendimento da invenção, deve ser lembrado primeiro que a produção industrial de alumínio é feita por meio de eletrólises em células, que são conectadas eletricamente em série, com uma solução de alumina em criolita fundida levada a uma temperatura, tipicamente, entre 930 e 970°C, por meio do efeito de aquecimento da corrente que atravessa a célula.

Cada célula é constituída por um recipiente de aço em forma de paralelepípedo isolado que suporta um catodo contendo blocos de carbono pré-cozidos nos quais ficam vedados alguns bastões de aço conhecidos como barras coletoras de corrente de catodo, que conduzem a corrente para fora da célula, tradicionalmente, 50% a montante e 50% a jusante. As barras coletoras de corrente de catodo ficam conectadas ao sistema de barramento, que serve para conduzir a corrente dos catodos em direção aos anodos da célula seguinte. O sistema de anodo, composto de carbono, aço e alumínio, é fixado sobre uma assim chamada “armação de anodo”, com bastões de anodo ajustáveis na altura e eletricamente conectados aos bastões de catodo da célula precedente. O eletrólito, que é a solução de alumina em uma mistura de criolita fundida a 930-970°C, fica localizado entre o sistema de anodo e o catodo. O alumínio produzido é depositado sobre a superfície de catodo. Uma camada de alumínio líquido é mantida permanentemente sobre o fundo do cadinho de catodo. Como o cadinho é retangular, a armação de anodo que suporta os anodos é geralmente paralela a seus lados grandes, enquanto os bastões de catodo são paralelos a seus lados pequenos, conhecidos como cabeças de célula. O campo magnético principal nas células é criado pelo fluxo de corrente no sistema de anodo e de catodo. Todos os outros fluxos de corrente darão perturbações a esse campo principal criado.

As células são arranjadas em fileiras e são dispostas transversalmente em uma orientação lado a lado; seu lado curto fica paralelo ao eixo da linha de cadinho. Comumente, uma linha de cadinho é representada por duas fileiras de células. A corrente tem direções opostas nas duas fileiras. As células são conectadas eletricamente em séries, as extremidades das séries sendo conectadas às saídas positiva e negativa de uma subestação de retificação elétrica e controle. A corrente elétrica que atravessa os vários elementos de condução: anodo, eletrólito, metal líquido, catodo e condutores de conexão, cria grandes campos magnéticos. Esses campos, junto com a corrente elétrica nos eletrólito e metal líquidos, formam a base para o comportamento Magneto-hidrodinâmico (MHD) no eletrólito e metal líquido contido no cadinho. As assim chamadas forças de LaPlace, que criam o fluxo de eletrólito e metal, também são prejudiciais à operação estável (estabilidade) da célula. O projeto da célula e dos seus condutores de conexão é tal, que os efeitos dos campos magnéticos criados pelas várias porções da célula, suas células adjacentes e vizinhas, e os vários condutores de conexão poderíam equilibras uns aos outros, A Figura 1 mostra uma seção transversal das duas células em uma linha de cadinho. DEFINIÇÕES: CORRENTE DE LINHA A corrente elétrica CC que passa através das células, suprindo energia para as reações eletroquímicas que tem lugar dentro de cada célula.

LINHA DE CADINHO

Uma linha de cadinho consiste de um número de cadinhos conectados uns aos outros em uma série, com a corrente de linha suprida a partir de um grupo retificador para o circuito. Normalmente, esse circuito é organizado em duas (ou quatro) fileiras paralelas, com a(s) fileira(s) vizinha(s) ou adjacente(s) portando a corrente uma na direção oposta à outra. CONSIDERAÇÃO DE UMA FILEIRA CONTENDO A(S) CÉLULA(S) A SER(EM) COMPENSADA(S) (COMPENSAÇÃO DE FILEIRA) Quando se examina a compensação de uma fileira de células, o efeito da(s) fileira(s) adjacente(s) é negligenciado. Um circuito elétrico é feito quando células subseqüentes são conectadas em um circuito. Essa conexão, dependendo do projeto e tamanho das células unitárias e dos barramentos de conexão, cria, ela própria, um campo magnético, que tem de ser compensado, ou modificado, para equilibrar o campo magnético resultante da própria célula, criado pelo trajeto de corrente através da célula e entre células vizinhas seguintes a montante e a jusante. É encontrado exemplo na figura 2. A compensação de fileira assinala a compensação do campo magnético criado por esse(s) trajeto(s) de corrente de célul a-p ar a-célula local(ais).

COMPENSAÇÃO DE FILEIRA VIZINHA

Uma fileira de cadinhos é normalmente arranjada na vizinhança de uma ou mais fileiras de cadinho. Duas fileiras de cadinhos normalmente constituem uma linha de cadinho. O fluxo da corrente fica em direções opostas nas duas fileiras, como visto na figura 1. Linhas de cadinho vizinhas são normalmente divididas em duas ou quatro fileiras de cadinho. As fileiras de cadinho vizinhas portam a corrente de linha, bem como outros circuitos de corrente, como for o caso. A soma das contribuições (dependendo da corrente e da distância entre-fileira) a partir de todos os circuitos de corrente na fileira vizinha influencia o campo magnético da(s) célula(s) a ser(em) compensada(s) na fileira real. A neutralização dos campos magnéticos resultantes, criados pela comente nas fileiras vizinhas, é indicada como “compensação de fileira vizinha”. A contribuição a partir da fileira vizinha não é constante sobre a área de cadinho. A contribuição de campo magnético, B, segue a lei de Biot- Savart: (1) onde Ré a distância a partir da fonte, e lp é a corrente na fonte (fio de condução). A conseqüência é que o campo magnético B varia sobre a área de célula, e o gradiente sobre a célula vai ficando mais forte quando a distância para a fileira vizinha diminui.

DISTÂNCIA ENTRE-FILEIRA A força do campo magnético vertical a partir da(s) fileira(s) vizinha(s) depende da quantidade de corrente através da fileira vizinha, e da distância entre-fileira, de acordo com a lei de Biot-Savart.

Se forem feitas soluções que tomem possível colocar duas fileiras separadas uma da outra entre 20 e 40m, ambas as fileiras poderíam ficar situadas em um salão de forno comum, um assim chamado salão de fomo duplo, mostrada na Figura 3. Essa solução se abre para economia de custo de investimento relacionada à constmção e local de salão de fomo.

Se as economias de custo relacionadas a salões de fomo e local forem menores do que os custos dos barramentos necessários para se conseguir a compensação necessária no salão de fomo duplo, a distância de fileira aumentará para mais de 40m, com o salão de fomo dividido em dois salões de fomo unitários, um para cada fileira de cadinho, como visto na figura 3. A distância entre-fileira é, no final, um equilíbrio entre as componentes de custo envolvidas e o desafio e complexidade do equilíbrio dos campos magnéticos, que aumentam com o aumento de amperagem e a diminuição da distância entre-fileira.

COMPENSAÇÃO INTERNA A “compensação interna” é realizada pela manipulação dos barramentos conectados a, e circundando o cadinho, que portam a corrente de linha.

Em uma perspectiva geral, os circuitos de corrente abaixo e ao lado da impressão de cadinho são relevantes para mudar a forma do campo magnético. No presente documento, o termo “compensação interna” inclui a parte da corrente coletada a partir da célula número n, e portado para a célula número n+1, em um trajeto igualmente abaixo da célula, dentro da impressão (tipo 1) e próximo ao nível de eletrólito-metal do lado de fora da impressão (tipo 2) da célula η. O tipo 2 (trajeto do lado de fora da impressão de célula) é normalmente o modo mais potente de compensar a componente de campo magnético vertical (Bz), ver Figura 4. 0 trajeto da corrente de compensação podería igualmente estar entre as duas fileiras envolvidas (do lado de dentro), ou sobre o lado de fora do circuito de corrente de linha (do lado de fora).

Abreviações: IC: Compensação interna ICC: Corrente de compensação interna ICS: Sistema de compensação intema COMPENSAÇÃO EXTERNA

Se a corrente usada para compensar a célula for independente da corrente de linha, é indicada a corrente de compensação externa. A corrente de compensação externa, então, realiza a compensação externa.

Ela pode ser suprida a partir da mesma fonte da corrente direta, por dois ramos a partir da mesma fonte ou por um suprimento de energia separado (reguladores de tensão). A compensação externa é um suplemento ou uma substituição à compensação intema e vice versa, como pode ser o caso. O trajeto da corrente de compensação externa podería ficar igualmente entre as duas fileiras envolvidas (do lado de dentro), sobre o lado de fora do circuito de comente de linha (do lado de fora), de preferência, localizado no mesmo nível que o do reservatório de metal (mais raramente abaixo dos cadinhos). A compensação externa compensa as componentes de campo magnético verticais (Bz) somente quando colocada ao nível de metal líquido, ver Figura 4. A direção da corrente de compensação externa pode ser tanto paralela à corrente de célula, quanto oposta, dependendo da necessidade de compensação.

Abreviações: EC: Compensação externa ECC: Corrente de compensação externa ECS: Sistema de compensação externa COMPENSAÇÃO COMBINADA A compensação combinada (combinando a compensação interna e externa) é definida com as seguintes abreviações: CC: Compensação combinada CCC: Corrente de compensação combinada (soma da ICC e ECC) CCS: Sistema de compensação combinada CCS, IC: Parte de compensação interna do Sistema de compensação combinada CCS, EC: Parte de compensação externa do Sistema de compensação combinada DESCRIÇÃO DO PROBLEMA O projeto dos barramentos para células de produção de alumínio é reconhecidamente uma das mais qualificadas atividades chave no desenvolvimento de uma tecnologia de redução de alumínio competitiva.

Isso é ilustrado pela extensa lista de importantes fatores de investimento e custo operacional influenciados pelo projeto dos barramentos: Os movimentos MHD gerados pelas forças de LaPlace (.F=ix B) • A estabilidade de cadinho, que é determinada pelo equilíbrio do campo magnético. • A distribuição de corrente de catodo, a montante/jusante, tradicionalmente 50% sobre cada lado. • A distribuição de corrente ao longo do lado a montante e ao longo do lado a jusante. • A distância entre-fileira. A carga e complexidade do barramento. A resistência elétrica no sistema de barramento, A área de terreno necessária para as séries de células. A distância entre as células subseqüentes. O custo para a constmção e instalação dos circuitos. 0 tamanho da área de eletrólito/metal (comprimento da célula) com aumento de amperagem. A temperatura dos barramentos. O risco de curto-circuito. O projetista tem diversos graus de liberdade no processo de desenvolvimento de um sistema de barramentos ótimo, usando a experiência para selecionar uma configuração (tipologia) que se conforme às necessidades na lista acima.

Dada uma configuração, a seleção do projetista do comprimento de barramento e áreas em seção transversal equilibrará o dilema de queda de voltagem/carga/estabilidade, como exposto na Figura 5. O sistema de barramento deveria ser projetado com um equilíbrio ótimo entre a queda de voltagem determinada pelo custo esperado da energia elétrica durante a vida de fundidor, e o custo de investimento determinado pelo custo de material dos condutores elétricos e os custos de fabricação e instalação.

Para um dado projeto (configuração) esse processo de otimização econômica é feito com uma análise de Valor Presente Líquido. A solução preferida repousa em algum lugar ao longo da linha específica de configuração na Figura 5. A presença de corrente elétrica e campo magnético cria as forças de LaPlace, que causam os movimentos MHD no eletrólito e metal líquidos e, subseqüentemente, a deformação da interface metal-eletrólito devido a um baixo amortecimento (pequena diferença na densidade entre o eletrólito e metal líquidos). A componente vertical de campo magnético, Bz, junto com as componentes de corrente elétrica horizontais no metal líquido, são a maior causa das indesejáveis forças de LaPace, que desestabilizam o cadinho. A eletrólise resultante produzida (eficácia de corrente) pode ser grandemente diminuída e o consumo de energia, desse modo, aumentado. A(s) fileira(s) adjacente(s) cria(m) um campo magnético sobrepondo o campo magnético local e o toma mais assimétrico. O efeito do campo magnético criado pela fileira adjacente (incluindo qualquer corrente de compensação externa) tem de ser neutralizado. A fim de arranjar condutores de forma complexa grandes entre as células, pode ser necessário aumentar a distância entre as células subseqüentes. Isso pode alongar adicionalmente o circuito elétrico e aumentar a superfície do local e área de construção exigidas para essas células.

Mais a intensidade das células aumenta, mais suas dimensões aumentam (comprimento transversal). Uma área aumentada das camadas líquidas (área de eletrólito/metal) aumenta a sensibilidade para a magnitude e gradiente dos campos magnéticos. O projeto dos condutores de conexão, então, se toma mais complicado.

TÉCNICA ANTERIOR A presente invenção é concluída em uma área onde diversas patentes têm sido publicadas nos últimos 35 anos. Tanto a compensação de fileira quanto a de vizinhança, com compensação interna, bem como externa, estão bem documentadas e descritas. Entretanto, a maioria das patentes descreve a compensação de campo magnético para células abaixo de 300 kA, e mesmo abaixo de 200 kA. Uma recapitulação compreensiva dos princípios no campo da compensação magnética é dada por R. Huglen em “Introduction to Aluminum Electrolysis”, Aluminum Verlag, Düsseldorf 1986 e 1993, de K.

Grjotheim e H. Kvande. O entendimento fundamental, que forma a base da presente invenção, não foi descrito, visto que o entendimento científico, então, não estava disponível nem na literatura nem nas patentes, Uma limitação principal relacionada à técnica anterior é o entendimento necessário para distinguir entre soluções boas e não tão boas.

As variações na corrente de linha, distância entre-fileira, queda de voltagem, carga de barramento e estabilidade operacional de cadinho nunca foram descritas de um modo que fizesse comparação do desempenho praticável. A tabela a seguir mostra as patentes principais, com as áreas de foco indicadas.

Uma diferença explícita entre a técnica anterior e a presente invenção é a parte da corrente de linha portada a partir do lado a montante do cadinho, fora da impressão de célula.

Enquanto a presente invenção porta entre 5 e 25% da corrente de lmha fora da impressão, o resto das patentes é diferente. A solução na patente 4.072.597 porta 50% da corrente de linha (toda a corrente a montante) fora da impressão. A patente 2.505.368 porta de 25 a 30% da corrente de linha fora da impressão. À patente 4.713.161 porta 0% da corrente de linha fora da impressão.

DEFICIÊNCIAS, TÉCNICA ANTERIOR

As deficiências da técnica anterior descritas na patente US 4.713.161 também são relevantes para a base técnica para a presente invenção.

Em adição, a patente US 4.713.161, tem as seguintes deficiências: Se os coletores transversais entre os cadinhos pudessem ter sido inteiramente removidos e o espaço entre os cadinhos reduzido de modo correspondente, a redução do comprimento dos barramentos teria tido um grande efeito sobre a queda de carga/voltagem, mas os coletores são sempre necessários, bem como os tubos ascendentes de anodo. O número indicado de tubos ascendentes de anodo é alto, com uma subseqüente desvantagem relacionada à complexidade de barramento, mudança de anodo e afastamento das células. A corrente alta nos barramentos de compensação externa aumenta a necessidade de compensação de fileira, ou de aumento da distância entre-fileira.

Se a parte a montante da corrente de linha seguir o trajeto mais curto abaixo da célula, o barramento de compensação externa deve ficar localizada a uma distância relativamente maior afastando-se da cabeça de célula, para impor um campo magnético com um gradiente baixo, Isso deve ser feito para se conseguir um melhor encaixe entre o campo B? criado pela corrente de linha e o campo Bz na direção oposta criado pela corrente de compensação. A conseqüência da distância mais longa é a corrente relativamente mais alta, com uma queda de carga e/ou voltagem correspondentemente maior.

Se o suprimento de corrente de compensação tiver uma interrupção, a célula se tomará extremamente instável. A Eficácia de Corrente (CE) ficará certamente baixa, e os movimentos de eletrólito e metal líquidos serão afetados de modo adverso.

Os grandes barramentos de compensação externa precisam de espaço, suporte e proteção, que exigem uma fundação mais ampla, com seu custo de investimento extra. O barramento de compensação externa fica localizado logo abaixo do piso do salão de fomo, criando um forte campo magnético extraordinário nas extremidades da célula.

Uma preocupação principal está relacionada à magnitude do gradiente de Bz criado pelo barramento de compensação externa sobre a área de catodo. Uma corrente de compensação aumentada cria um gradiente de Bz aumentado sobre o comprimento transversal da célula. Esse gradiente pode ser neutralizado ou tomado menos prejudicial tanto pelo movimento do barramento de compensação afastando-se da cabeça de célula, quanto pela modificação do planejamento dos barramentos debaixo da célula, para casar melhor a forma do campo magnético vertical criado pelo barramento externa.

Ambos os métodos aumentarão a queda de carga e/ou voltagem de barramento. O efeito resultante do barramento abaixo e dentro da impressão de célula e do barramento fora da impressão de célula, é fundamentalmente diferente e é ilustrado na Figura 4.

Conforme indicado nas reivindicações do método, 1- 6, de acordo com a presente invenção, pode-se obter um sistema de barramento otimizado capaz de superar as principais falhas dos projetos anteriores da ciência. As reivindicações 7-16 definem tal sistema. A presente invenção será descrita a seguir por figuras e exemplos em que;

Figura 1 revela a secção cruzada de uma linha de cadinhos (técnica anterior), Figura 2 revela o campo Bz a nível eletrólito-metal (técnica anterior), Figura 3 revela projetos de salões de cadinho simples e duplos (técnica anterior), Figura 4 revela a compensação abaixo e lateral à cabeça do cadinho (técnica anterior), Figura 5 revela o dilema da queda de voltagem/carga/estabilidade, Figura 6 revela a carga extra do barramento, Figura 7 revela a porção da compensação interna, Figura 8 revela a influência da distância de separação das fileiras, Figura 9 revela as categorias de cadinhos a serem compensadas, Figura 10 revela os diagramas de diferentes compensações combinadas, Figura 11 revela células de 350 kA e o projeto de compensação (ICS, ECS e CCS), Figura 12 revela uma célula grande e diferentes distancias de separação de fileiras.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção trata de um método e um sistema para conexão elétrica de células sucessivas dispostas em série, destinadas à produção industrial de alumínio, e, mais precisamente, de um arranjo de condutores que permite que células de eletrólise dispostas transversalmente sejam operadas a mais de 300 kA, até 600 kA, com eficiência de corrente de 93% a 97%, melhorando, ao mesmo tempo, a performance técnica e econômica dos sistemas condutores, inclusive os barramentos entre as células e os barramentos no sistema de compensação externa. A presente invenção baseia-se em nova descoberta que diz respeito às vantagens e desvantagens de métodos conhecidos de projetos de barramentos. Trata-se de concepção inteiramente diferente das antecedentes, envolvendo a utilização de aspectos aprimorados dos dois métodos de compensação existentes, com o objetivo de alcançar uma solução de menor carga e menor consumo de energia.

Descreve-se, desta forma, um sistema que permite a otimização dos custos de um projeto, de forma a reduzir o investimento e os custos operacionais. Trata-se, fmalmente, de um dispositivo que permite que o campo magnético criado pelas adjacentes seja compensado sem grandes gastos. Isto pode permitir uma distância menor de separação das fileiras, para células de maior amperagem do que as do estado-da-técnica, inclusive a da tecnologia de salão do cadinho duplo. A combinação normal, ou a consideração tradicional, relativa a combinações de compensações interna e externa, não produz ganhos, contrariamente aos ganhos apresentados na presente invenção, por que: sabe-se que a corrente de linha tem que ultrapassar 300 kA antes que surjam os efeitos. Normalmente, linhas de cadinho abaixo deste limite de corrente, só apresentam desempenho melhor, apenas com compensação interna. os projetistas do sistema de barramentos devem entender onde o ganho deve ser alcançado Uma linha de cadinhos compensada intemamente e modificada para linha de cadinhos combinada pela introdução de um circuito fechado externo, apenas para compensar uma fileira adjacente, está fora do escopo principal desta invenção, uma vez que o potencial total do método de compensação interna de tal projeto é subestimado.

Além disto, a presente invenção baseia-se na descoberta de que a corrente de compensação íntema (CCS.IC) deve situar-se no intervalo de 5 a 25% da corrente de linha. A magnitude da corrente de compensação externa (CCS,EC) deverá, preferencialmente, situar-se entre 5 e 80% da magnitude da corrente de linha.

Tanto o sistema de compensação externa, como o de compensação interna acrescentam carga adicional (e conseqüentemente custo adicional) ao sistema da barramento que cerca os cadinhos, mas, a carga adicional é introduzida de modos bastante diferentes, nos dois métodos. A carga dos barramentos de compensação externa, mEcs, é proporcional à corrente de compensação. (2) i£Cs corrente nos barramentos externos, [kA] (Iccs.Ecpara um sistema de compensação combinado) mECs Massa adicional para os barramentos de compensação, [kg] (mCcs,Ecpara um sistema de compensação combinado) i Densidade da corrente nos barramentos, [kA/dm2] d Densidade da massa do material do barramento, [kg/dm3] I3 distância c-c, da célula n à célula n+1 [dm] O aumento de carga gerado no método de compensação interna é função de quão distante, ao longo da parede lateral da célula a montante, deve ocorrer a coleta da corrente. A carga dos barramentos adicionais (m^s) é, aproximadamente, obtida por este tipo de equação (calculo da carga adicional dos barramentos, mostrado na figura 6, lado direito) (3) lies Corrente nos barramentos de compensação interna (Iccs.icpara um sistema de compensação combinado) m1Cs Massa adicional para os barramentos de compensação (mCcs,!cpara um sistema de compensação combinado) a Corrente por comprimento de parede lateral tomada nos catodos flexíveis dentro dos barramentos [kA/dm] b Constante, entre 0,5 e 1, que depende da variação da seção cruzada da barra coletora de corrente ao longo da sua extensão 11 Comprimento dos barramentos a montante, perpendiculares à direção geral da corrente de linha, além de barras de coleta de corrente, compensação interna [dm]. 12 Comprimento dos barramentos adicionais a jusante, perpendiculares à direção geral da corrente de linha, além das barras de coleta de corrente, compensação interna [dm], A relação linear entre a carga e a corrente de compensação externa, e a relação de segunda ordem entre a carga e a corrente para 0 método de compensação interna, toma os métodos mais adequados para diferentes níveis de corrente de compensação.

Podemos ver, a partir das declividades das equações 2 e 3, plotadas na figura 6, que o aumento de carga por unidade de corrente é menor para a ICC do que para a ECC, para baixas correntes de compensação, enquanto a situação é oposta para altas correntes de compensação.

Um ponto natural para a introdução da CCS é aquele no qual as duas equações possuem a mesma declividade, ponto até o qual, a célula deve ser compensada por uma ICS, ao passo que toda necessidade de compensação adicional, acima deste ponto, deve ser realizada por compensação externa. A comparação das declividades das equações 2 e 3 pode ser descrita da seguinte forma: (4) Fazendo a derivação da equação (4): (5) Simplificada: (6) Assim é a faixa valida para a CCS, quando a corrente de compensação total, ICcs, satisfaz a condição: (7) A porção ICS (constante) da CCS é, então, definida por: (8) A porção ECS da CCS é definida por: (9) Na prática, a introdução da Iccs.ec será realizada a uma necessidade de compensação algo mais alta do que a indicada pelas equações (5), (6) e (7), devido ao fato de que: 1. A introdução de ECS dispara os custos adicionais, o que significa que a ECC deve ter uma dimensão determinada para ser lucrativa. 2. Espera-se que a ECS esteja localizada a distância maior em relação à cabeça do cadinho do que a ICS. Isto toma a ECS menos eficaz e empurra para cima o limite de introdução.

Ao se estudar a natureza do sistema de compensação intema, constata-se que este método contém elementos próprios que são superiores e válidos mesmo quando utilizados em conjunto com a compensação externa. O sistema de compensação intema, quando comparado ao sistema e compensação externa, possui cinco vantagens: A corrente utilizada na compensação é deduzida a partir da corrente que passa abaixo da célula (parte da corrente de linha), isto é, a necessidade de compensação na fileira é reduzida; A manipulação da corrente de linha, quando não são introduzidas fontes adicionais de campos magnéticos, evita um motivo adicional de efeitos adversos na(s) fileira(s) vizinha(s).Um método de compensação externa resulta, tanto em corrente significativamente mais alta, que precisa ser compensada, como na redução da distância entre a corrente perturbadora e a célula, o que gera necessidade adicional de compensação; A corrente de linha a montante deve passar pela célula, em direção aos tubos ascendentes da próxima célula, de qualquer forma. Nesta direção específica, não é necessário adicionar qualquer carga ao barramento para realizar a compensação interna; A diferença de potencial elétrico entre o cadinho compensado e o barramento de compensação é muito baixo, de forma que o manejo das questões de segurança é mais fácil, A estabilidade operacional das células de redução pode ser fortemente ameaçada na quebra de um circuito fechado externo.

Um sistema de compensação intema não apresenta este ponto fraco e, portanto, espera-se que um sistema combinado de compensação seja menos sensível à quebra do circuito fechado de compensação externa.

Estas são as vantagens que tomam a compensação combinada superior ao método de compensação externa, quando apenas o uso do método de compensação interna toma-se inferior na resolução do problema da estabilidade magnética. O compartilhamento da compensação, realizada pela compensação interna, como função da necessidade de compensação, está ilustrada na figura 7. A magnitude da corrente de compensação deve estar relacionada com o campo magnético a ser compensado. A força do campo magnético, B, é função da magnitude da, e, da distância até a fonte. A Figura 8 mostra a relação entre a distância de separação das fileiras, a magnitude da corrente (200 a 600 kA), e, a corrente resultante de compensação necessária para neutralizar a fonte (fileira vizinha).

Para dimensões físicas prevalecentes, as densidades de corrente e materiais, hccsjc terminam por situar-se em algo entre 30 e 70 kA.

Ao colocar este nível de compensação na figura 8, parece que uma corrente de linha, de cerca de 300 kA, estabelece o limite superior para o uso exclusivo do método de compensação interna em um duplo salão de cadinho (distancia das fileiras de cerca de 30m).

Ao utilizar a compensação combinada, as limitações anteriores da corrente de linha podem ser levantadas para linhas de cadinho em baixas distâncias de separação de fileiras (inclusive salões de cadinho duplos). Isto é relevante quando o espaço disponível é caro, ou, quando não há espaço disponível, ver figura 9, itens a e b.

Deve-se entender que também as componentes Bx - e especialmente as By - contribuem para a desestabilização da célula, e deve-se tomar cuidado ao projetar o sistema de barramentos. 0 método de compensação combinada é também solução melhor para outra gama de aplicações, em que há menos necessidade e foco na distância de separação das fileiras.

Cadinhos compridos (que transportam altas correntes de linha), em que parte significativa da corrente de linha a jusante é transportada em barramentos abaixo da célula, geram a necessidade de altas correntes de compensação. Embora a necessidade de compensação na fileira vizinha seja moderada, à medida que a distância entre as fileiras aumenta, a necessidade de compensação na corrente das fileiras é somada à necessidade de compensação da fileira vizinha, somando uma necessidade total de compensação que é mais alta do que a que é eficiente para o transporte apenas com a compensação interna. A melhor solução é, portanto, utilizar a compensação combinada em ambos os casos.

Além da estabilidade, da carga, da complexidade e da queda de voltagem, o projeto deve adequar-se a outros critérios do estado-da- técnica, inclusive: Temperatura máxima dos barramentos e outros tubos ascendentes Não deve complicar a operação do cadinho, A proteção de aço da ventilação do catodo deve estar tão livre quanto possível Devem ser satisfeitos critérios SHE (segurança, saúde, meio ambiente).

Deve prover espaço para futuros aumentos de amperagem na linha do cadinho Deve-se observar que a invenção pode ser ainda mais aprimorada por arranjo da distribuição da corrente do catodo de maneira não simétrica. Em especial, a distribuição, a partir do lado a jusante, pode estar entre 40 e 50 porcento da corrente de linha, preferencialmente entre 45 e 50%.

Este arranjo implica em menor corrente a ser transportada a jusante ou fora do cadinho pelo sistema de barramento, ou seja, a complexidade do próprio sistema pode ser reduzida.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

Figura 1. Seção cruzada de uma linha de cadinho na técnica anterior A figura ilustra a terminologia utilizada no presente documento. Ilustra uma ECS. O cadinho no lado direito é equipado com uma corrente a montante abaixo da célula [1], e os barramentos de compensação externa do lado de dentro (em direção à fileira vizinha e do lado de fora da impressão do cadinho [2]. O cadinho no lado esquerdo está simplificado para tomar mais fácil o cálculo da influência magnética da corrente de linha [3] e da compensação externa [4] sobre o cadinho do lado direito. A distância R é a distância entre as fileiras.

Figura 2. Campo Bz a nível de eletrólito-metal em célula na técnica anterior Ilustração dos campos Bz, não compensado e compensado, em uma ECS, sem a influência de uma fileira vizinha.

Toda a corrente de linha é transportada abaixo do cadinho e toda corrente de compensação é alcançada por compensação externa, dentro e fora da impressão do cadinho, similar à Fig 5 da patente US 4.713.161.

Figura 3. Soluções de salões de cadinhos simples e duplos na técnica anterior Duas seções cruzadas no topo são o esboço de um sistema de salão do cadinho único, enquanto, abaixo, o sistema é de duplo salão do cadinho. O sistema de salão do cadinho único [1] pode ser organizado com fileiras de células [2] em direção à parede mais interna de células em direção à parede mais interna e uma fileira de células em direção à parede mais externa; fileiras de células na direção das paredes mais externas.

Figura 4. Compensação abaixo e ao lado da cabeça do cadinho em célula da técnica anterior Ilustração de compensação interna (Bz) ao lado e abaixo do cadinho.

As cabeças dos cadinhos estão situadas em 7.0 e 7,0 metros.

Figura 5. Dilema da quebra da voltagem/carga/estabílidade.

Ilustração do dilema da quebra de voltagem/carga/estabilidade relativo a um projeto de circuito de conexão elétrica entre duas células sucessivas em uma fileira. I. Reduz a corrente de linha, ou escala a carga do barramento. II. Aumenta a corrente de linha, ou reduz substancialmente a carga do barramento. III. Aumenta a carga dos barramentos de compensação devido ao aumento da estabilidade ou à limitação do projeto de barramento. IV. Reduz a carga dos barramentos de compensação com sacrifício da estabilidade ou um projeto mais inteligente de barramento.

Figura 6. Carga adicional do barramento Na região em que a corrente é captada, no sistema de compensação interna, duas formas de barramento são relevantes: Uma forma prismática pode ser utilizada para minimizar a carga.

Uma forma quadrática pode ser utilizada para otimizar a distribuição de corrente.

Figura 7. Partilha da compensação interna.

Ilustração da partilha da compensação interna como função da necessidade de compensação, O restante da necessidade de compensação é preenchido por compensação externa.

Figura 8. A influência da distância entre as fileiras Uma relação simplificada entre a corrente da fileira vizinha, a distancia entre fileiras e a corrente de compensação, apresenta o aspecto indicado. As linhas de corrente equivalentes devem ser vistas como soma da corrente de linha e da ECC.

Nesta figura é ilustrada apenas a compensação para a corrente da fileira vizinha, e não a corrente da fileira A uma dada corrente de linha, pode-se alcançar um cadinho operacíonalmente estável, seja pelo aumento da compensação, seja pelo aumento da distância entre as fileiras.

Figura 9. Categorias de cadinhos a serem compensados. É importante observar que a região denominada c está principalmente compensando a corrente da própria fileira e não aquela da fileira vizinha. Este método é de introdução simples em virtude do comprimento da célula (corrente de linha).

Nas regiões a e b pode ser melhor passar de um salão do cadinho duplo para um salão do cadinho único, ao invés de adicionar corrente de compensação.

Figura 10. Diagramas (desenhos) das diferentes compensações combinadas.

Figura 10a. Terminologia.

Figura 10b Compensação de uma corrente média alta de fileira, e uma fileira vizinha à pequena distância (salão de cadinho duplo).

Figura 10c Compensação de uma alta corrente de fileira e uma fileira vizinha à pequena distância (salão do cadinho duplo).

Figura 11. Os efeitos da ICS, ECS e CCS a 350 kA

Os campos Bz, não compensado, de compensação e compensado, em uma ICS (extremo superior esquerdo), ECS (extremo superior direito) e CCS (abaixo) para uma célula de 350 kA em salão do cadinho duplo.

Figura 12. Célula grande e diferentes distâncias de separação de fileiras Esta figura trata da compensação de grandes células dispostas a diferentes distâncias de separação de fileiras. A presente invenção é aplicável, em especial, a este tipo de arranjo.

MODO DE REALIZAÇÃO

Exemplo de salão do cadinho duplo de 350 kA. A seleção de um salão do cadinho duplo pode estar relacionada à disponibilidade de espaço, ou ao custo de preparação do local.

Se houve espaço livre a custo razoável, pode ser mais econômico optar por dois salões do cadinhos simples únicos ao invés da solução de salão do cadinho duplo.

Na compensação de uma célula de alta amperagem em salão de cadinho duplo, a própria corrente de compensação cria grande quantidade de necessidade adicional de compensação, em especial no caso da ECS. A influência desta dependência toma algumas das figuras (8 e 9) deste artigo, menos legíveis, uma vez que as figuras dizem respeito à soma da corrente de linha com a corrente de compensação externa. A simples apresentação de correntes e cargas para o ICS e a ECS para a cabeça do cadinho mais interno reduz a dimensão do exemplo. O exemplo mostra os dados apresentados na figura lO.b, e, para o tipo a da figura 9, a Figura 10 a mostra a terminologia, ao passo que a lO.c mostra uma versão de 450kA (tipo b, figura 9). * Calculado com um programa simples levando em consideração a influência de Bz dos barramentos abaixo e ao lado (inclusive das fileiras vizinhas) do cadinho analisado.

Baseado na lei de Biot-Savart, desconsiderando os elementos de ferro.

Condições de limite utilizadas * A barra coletora EC é colocada 1 metro distante da cabeça do cadinho, comparada com a barra coletora IC. Isto se deve a razões de segurança. A carga adicional do sistema de compensação interna é calculado pela equação (3). A carga adicional do sistema e compensação externa é calculado pela equação (2). A carga adicional do sistema de compensação combinada é calculado pelas equações (2) e (3), com a distribuição da corrente conforme ilustrada na equação (9).

A distribuição de percentagem típica entre mccs,ic e mCCS|EC está ilustrada na figura 7. A figura mostra também a superioridade da solução CCS, uma vez que mostra que a mCcs,icpiwê mais do que a sua participação na corrente de compensação, desde que sob os mesmos nível de estabilidade de cadinho e perda específica de energia na ICS e na ECS.

Na figura 7, a IC é mantida em 40 kA ao longo de todo o conjunto de soluções de compensação combinadas, Exemplificando: a necessidade de compensação de 50 kA resulta em 80% de compensação interna, que é de 40 kA. a necessidade de compensação de 100 kA resulta em 40% de compensação interna, que é de 40kA.

Exemplo de um cadinho de 600kA em salão do cadinho único.

Tal como no exemplo anterior, apresenta-se apenas as correntes e pesos para IC e EC para o cadinho mais interno. O exemplo utiliza os dados mostrados na figura 12.

Claims (16)

1. Método para operar células de eletrólise de alta intensidade do tipo Hall-Héroult para produzir alumínio, as células sendo sucessivamente dispostas em uma ou mais séries, onde uma primeira corrente elétrica sustenta o processo de eletrólise em cada célula, essa corrente sendo nomeada corrente de linha, onde o arranjo da corrente de linha passando através de cada célula individual reduz o campo magnético indesejado na célula atuando como uma corrente de compensação interna (CCS, IC) e onde uma segunda corrente separada é provida para compensar o campo magnético indesejado restante em cada célula individual, onde a mencionada segunda corrente separada é nomeada corrente de compensação externa (CCS, EC), caracterizado pelo fato de que a corrente de compensação interna (CCS, IC) tem pelo menos um componente que está localizado fora da impressão da célula, em tomo de pelo menos uma cabeça de cadinho da célula, onde o mencionado componente da corrente de compensação interna (CCS, IC) está entre 5 e 25% da corrente de linha, e de que o arranjo e o equilíbrio entre o sistema de compensação interna (CCS, IC) e o sistema de compensação externa (CCS, EC), assinalados como um sistema de compensação combinada (CCS), são adicionalmente designados de um modo que otimiza a carga e a queda de voltagem do sistema para uma conexão elétrica de acordo com as seguintes etapas: I. O CCS é selecionado quando a necessidade de compensação, ICcs, em tomo de pelo menos uma cabeça de cadinho está acima do nível: II. Se a desigualdade na etapa I for preenchida, então, a quantidade de corrente de compensação realizada com o sistema de compensação interna (CCS, IC), em tomo daquela cabeça de cadinho ou de ambas as cabeças de cadinho, é individualmente aproximada a; III. O resto da compensação necessária para aquela cabeça de cadinho ou para ambas as cabeças de cadinho, é realizada com um sistema de compensação externa (CCS, EC). Explicações dos símbolos: Iccs Corrente de compensação total para um sistema de compensação combinada Iccs.ic Corrente de compensação interna para um sistema de compensação combinada a Corrente por comprimento de parede lateral pega a partir dos catodos flexíveis dentro da barra coletora b Constante entre 0,5 e 1 dependendo da variação de área em seção transversal de barra coletora ao longo do comprimento. h Comprimento dos barramentos extras a montante, perpendicular à direção de corrente de linha total, em adição à compensação interna das barras coletoras 12 Comprimento dos barramentos extras a jusante, perpendicular à direção de corrente de linha total, em adição à compensação interna das barras coletoras 13 Distância c-c, do número de célula n a n+1

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a magnitude da corrente de compensação externa (CCS, EC) está entre 5 e 80% da magnitude da corrente de linha.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a distribuição de corrente de catodo a partir do lado a montante está entre 40 e 50 porcento da corrente de linha, de preferência, entre 45 e 50%.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a distância de fileira está entre 25 e 150m.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente de linha está entre 300 e 600 kA.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte da corrente de compensação interna que é distribuída fora das impressões de célula é distribuída a uma altura vertical próxima àquela da interface de eletrólito/metal.

7. Sistema para uma conexão elétrica e compensação magnética em uma ou mais séries de células de eletrólise de alta intensidade do tipo Hall-Héroult para produzir alumínio, as células sendo sucessivamente dispostas em uma ou mais séries, o sistema despacha para as células uma primeira corrente elétrica que sustenta o processo de eletrólise em cada célula, essa corrente sendo nomeada corrente de linha, onde o arranjo da corrente de linha passando através de cada célula individual reduz o campo magnético indesejado na célula atuando como uma corrente de compensação interna (CCS, IC), e onde uma segunda corrente separada é provida para compensar o campo magnético indesejado restante em cada célula individual, onde a mencionada segunda corrente separada é nomeada corrente de compensação externa (CCS, EC), caracterizado pelo fato de que a corrente de compensação interna (CCS, IC) tem pelo menos um componente que está localizado fora da impressão da célula, em tomo de pelo menos uma cabeça de cadinho da célula, onde o mencionado componente da corrente de compensação interna (CCS, IC) está entre 5 e 25% da corrente de linha, e de que o arranjo e o equilíbrio entre o sistema de compensação interna (CCS, IC) e o sistema de compensação externa (CCS, EC), assinalados como um sistema de compensação combinada (CCS), são adicionalmente designados de um modo que otimiza a carga e a queda de voltagem do sistema para uma conexão elétrica conseqüentemente, onde a quantidade de corrente de compensação realizada com o sistema de compensação interna (CCS, IC), em tomo de uma ou de ambas as cabeças de cadinho, é individualmente aproximada a: e onde o resto da compensação necessária para aquela(s) cabeça(s) de cadinho, é realizada com um sistema de compensação externa (CCS, EC). Explicações dos símbolos: Iccs,ic Corrente de compensação interna para um sistema de compensação combinada a Corrente por comprimento de parede lateral pega a partir dos catodos flexíveis dentro da barra coletora b Constante entre 0,5 e 1 dependendo da variação de área em seção transversal de barra coletora ao longo do comprimento. 11 Comprimento dos barramentos extras a montante, perpendicular à direção de corrente de linha total, em adição à compensação interna das barras coletoras 12 Comprimento dos barramentos extras a jusante, perpendicular à direção de corrente de linha total, em adição à compensação interna das barras coletoras 13 Distância c-c, do número de célula n a n+1

8, Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos barramentos é arranjado a uma altura vertical semelhante ao nível da interface de eletrólito/metal.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que os dois sistemas de condutor elétrico individuais têm potenciais elétricos diferentes.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que os dois sistemas de condutor elétrico individuais poderíam ter fontes de corrente elétrica (grupos retificadores) comuns ou separadas.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que a quantidade designada de corrente na parte de ECS do CCS aumenta à medida que a distância entre-fileiras diminui.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 7, a instalação de eletrólise compreendendo duas ou mais séries de células, caracterizado pelo fato de que a distância de fileira está entre 25 e 150m.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 7, a instalação de eletrólise compreendendo duas ou mais séries de células, caracterizado pelo fato de que a corrente de linha está entre 300 e 600 kA.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que o CCS é arranjado de um modo que toma a futura instalação ou aumento de corrente das linhas de cadinho vizinhas possível.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que o CCS é arranjado de um modo que toma todas as ações ordinárias e aperfeíçoamento/atualização futuros possíveis.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato de que o CCS é arranjado de um modo que toma as desativaçõestemporárias possíveis.