CH649317A5

CH649317A5 - Elektrolysezelle mit kompensierten magnetfeldkomponenten.

Info

Publication number: CH649317A5
Application number: CH8356/78A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang-Hatting Schmidt
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1985-05-15
Also published as: DE2841205B2; FR2432562A1; DE2841205C3; YU189779A; NL7905732A; NO151374C; GB2027056B; US4224127A; FR2432562B1; ZA793863B; DE2841205A1; SE435836B; AU530076B2; CA1123786A; SE7906554L; JPS5524994A; NO151374B; GB2027056A; AU4931879A; NO792528L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken der nächsten Elektrolysezelle geführt wird.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith (Na3AlF6) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich bei der Verwendung von Kohleanoden zu CO und COz verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 900 bis 1000°C statt.

Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der Fig. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektoysezelle zeigt. Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach aussen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen Gleichstrom zuführen. Die

Anoden sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden.

Der Strom fliesst von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Stromschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fliesst er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Alumnium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.

Der Abstand a der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben, bzw. gesenkt. Die Anoden können ausserdem — jede für sich — in bekannter Weise in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Die Elektrolysezellen sind üblicherweise in Reihen angeordnet und längs- oder quergestellt. Der Elektrolysestrom durchfliesst vorerst die in Serie geschalteten Zellen einer Reihe und kehrt dann in einer oder mehreren benachbarten Zellenreihen zu der speisenden Gleichrichtereinheit zurück.

Diese Rückleitung oder Rückleitungen erzeugen eine vertikale magnetische Einstreuung Hz, welche sich nach folgender Gesetztmässigkeit, welche generell für stromdurch-flossene Leiter gilt, abschätzen lässt:

I

Hz = [A/cm]

2 % t wobei I die Stromstärke in Ampere und r der mittlere Abstand zu der Nachbarzellenreihe in cm bedeuten.

Die durch Nachbarzellenreihen erzeugten Magnetfelder stören die erwünschte magnetische Symmetrie einer Elektrolysezelle erheblich, weil sie in bestimmten Bereichen der Zelle zu dessen eigenen Magnetfeldern addiert, in andern Bereichen dagegen subtrahiert werden. Das durch die Überlagerung entstehende Magnetfeld erzeugt im abgeschiedenen Metall Asymmetrien, die — zusammen mit horizontalen Stromdichtekomponenten— für Metallströmungen, -aufwöl-bungen und -Schwingungen verantwortlich sind. Da sich alle diese Phänomene nachteilig auswirken, ist es von grosser Wichtigkeit, die magnetische Feldverteilung nach Massgabe theoretischer Betrachtungen und praktischer Erfahrungen beeinflussen zu können.

Es ist bekannt, die Feldverteilung im schmelzflüssigen Elektrolysemetall durch entsprechende Wahl der Stromverteilung in der nähereren und weiteren Umgebung der Zellen zu steuern. So ist es beispielsweise gelungen, 210 kA-Zellen sowohl magnetisch als auch stromdichtemässig zu symmetrieren bzw. entsprechend zu dimensionieren. Da jedoch für die Feldverteilung nicht nur Nahfeldeinflüsse, sondern Fernfeldeinflüsse von benachbarten Ofenreihen zu berücksichtigen sind, ist es problematisch, in einem Elektrolyseofen das Fernfeld in genügendem Masse zu kompensieren.

Aus Erzmetall, 27/10, (1974), 464 weiss der Fachmann, dass bei extrem gut symmetrierten Elektrolysezellen nach5

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träglich Asymmetrien eingebaut werden mussten, um Schwingungen im abgeschiedenen Aluminium zu verhindern. Dies wurde erreicht, indem die kathodischen Aluminium-schienen an einer bestimmten Stelle durchtrennt wurden,

ohne die Zellen stromlos zu machen. Das Durchtrennen erfolgte so, dass bezüglich der Querachse der Zelle nicht mehr gleichviele Kathodenbarren ihren Strom nach beiden Seiten der Ofenlängsseite abführten.

Dieses vorbekannte Verfahren wird in Fig. 2 dargestellt, in welcher der Gleichstrom einer Zelle 30 über Kathodenbarren 17 und kathodische Stromschienen 31 zu der nicht gezeichneten Traverse der folgenden Zelle geführt wird. Eine Stromschiene 31 ist bei 32 durchgetrennt, wodurch im kathodischen Anschluss absichtlich eine Asymmetrie in bezug auf die Querachse 33 eingeführt wird. Magnetisch wurde durch das Durchtrennen ein nach oben gerichtetes Zusatzfeld geschaffen, wodurch die magnetisch bedingten Strömungen im flüssigen Metall tatsächlich beseitigt werden konnten.

Die DE-OS 26 53 643 beschreibt das Kompensieren magnetischer Felder, indem die Enden der Kathodenbarren auf mindestens einer Längsseite der quergestellten Elektrolysezellen in verschiedener Anzahl mit zu den Anoden der folgenden Zelle führenden Schienen verbunden sind. Dies hat in bezug auf ein magnetisches Zusatzfeld denselben Einfluss wie das Durchtrennen der Schienen.

In beiden Fällen wirkt sich nachteilig aus, dass das Zusatzfeld, das erzeugt werden soll, bei der in der elektrischen Reihenschaltung folgenden Zelle vermindert wird.

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, bei welcher die magnetische Einstreuung durch benachbarte Zellenreihen erniedrigt oder beseitigt werden kann,

ohne bei der in der Reihe folgenden Zelle ein angelegtes Zusatzfeld zu beeinträchtigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst. Die Versetzungen der Sammelschienen auf derselben Zellenlängsseite sind bevorzugt so gross, dass das durch diese Versetzungen erzeugte magnetische Zusatzfeld gleich gross ist wie das entgegengesetzt gerichtete, von der benachbarten Zellenreihe eingestreute Magnetfeld.

Zweckmässig sind sowohl die diametral gegenüberliegenden längeren Abstände der Sammelschienen von der Zellenlängsachse als auch die entsprechenden kürzeren Abstände je gleich gross. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, es sind alle Variationen möglich:

— Die längeren Abstände und die kürzeren Abstände sind verschieden.

— Die längeren Abstände sind gleich, und die kürzeren Abstände sind verschieden.

— Die längeren Abstände sind verschieden und die kürzeren Abstände sind gleich.

Die erfindungsgemäss erzeugte Asymmetrie kann dank der diametral gegenüberliegenden längeren und kürzeren Abstände erzeugt werden, indem jede Sammelschiene mit gleichviel, d.h. der Hälfte der Kathodenbarrenenden auf einer Zellenlängsseite, verbunden wird. Nach anderen Ausführungsformen können jedoch diametral gegenüberliegende kathodische Sammelschienen gleichviele, von der Hälfte der Gesamtzahl auf einer Zellenlängsseite abweichende Kathodenbarrenenden umfassen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, welche Ausschnitte aus Zellenreihen in Form eines Horizontalschnittes durch drei Elektrolysezellen zeigt, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 drei quergestellte Zellen, wobei jede Kathodenschiene mit fünf Kathodenbarrenenden verbunden ist, d.h. je mit einem Viertel.

Fig. 4 drei quergestellte Zellen wie in Fig. 3, wobei aber zwei diametral gegenüberliegende Kathodenschienen mit sechs Kathodenbarrenenden, und die beiden andern diametral gegenüberliegenden Kathodenschienen mit vier Kathodenbarrenenden verbunden sind.

Die in Reihe angeordneten, quergestellten Elektrolysezellen 34 sind alle gleich ausgebildet. An die Kathodenbarren 17 angeschlossen sind die Kathodenschienen 35-38,

wobei die Schiene 35 einen Abstand D von der Längsachse 39, die Schiene 36 einen Abstand d', die Schiene 37 einen Abstand D', und die Schiene 38 einen Abstand d von der Längsachse 39 hat. Diese Kathodenschienen 35-38 sind mit dem Anodenbalken 41 der Folgezelle in derselben Zellen-reihe verbunden. Die Lage der benachbarten Zellenreihe ist mit 42 angedeutet. Diese erzeugt in den Elektrolysezellen 34 eine magnetische Einstreuung, die von unten nach oben gerichtetet ist. Läge die benachbarte Zellenreihe auf der entgegengesetzten Seite, würde sie eine vertikal von oben nach unten gerichtete magnetische Einstreuung erzeugen.

Die Kathodenschiene 35 hat einen Abstand von der Zellenlängsachse 39, der um D-d' grösser ist als der entsprechende Abstand der Kathodenschiene 36. Ebenso hat die Stromschiene 37 einen Abstand von der Zellenlängsachse, der um D'-d grösser ist als der entsprechende Abstand der Stromschiene 38. Im vorliegenden Fall ist D=D' und d=d'.

Statt einer einzelnen Stromschiene kann 35 eine Serie von parallelen Stromschienen umfassen, ebenso 36, 37 und/oder 38.

Nach den bekannten Gesetzen der Elektrizitätslehre kann man erkennen, dass die bezüglich der Zellenlängsachse gegenüberliegenden Kathodenschienen 35 und 36 bzw. 37 und 38 ein vertikales Magnetfeld erzeugen, das von oben nach unten gerichtet ist, das durch die entsprechenden Kathodenschienen der in der Reihe vorhergehenden Zelle nicht aufgehoben wird, weil diese Schienen jeweils einen grösseren Abstand zur Längsachse der Zelle als die Schienen der gleichen Zelle haben.

Wenn man jedes Zellenviertel für sich betrachtet, unterstütz die Versetzung der Kathodenschienen zur Zelle hin oder von der Zelle fort jeweils die gewünschte magnetische Wirkung in der vorhergehenden und folgenden Zelle der Reihe.

Beispiel

In diesem Beispiel soll die vertikale magnetische Einstreuung von einer benachbarten Zellenreihe und der Einfluss der erfindungsgemässen Versetzung der Kathodenschienen 35-38 berechnet werden.

Für eine Stromstärke I = 160kA und einen Zellenreihen-abstand von 36 m kann nach der Formel

I

Hz =

2itt durch Einsetzen der Werte eine magnetische Einstreuung von

Hz = 7,1 A/cm ermittelt werden.

Zwei Zellenlängsachsen 39 haben einen Abstand von 700 cm. Die Kathodenschienen 35 und 37 haben in diesem Falle den gleichen Abstand zur Längsachse der zugehörigen Zelle von 400 cm. Auch die näher bei der Zelle angeordneten Schienen 36 und 38 haben in diesem Falle den gleichen Abstand zur Längsachse der zugehörigen Zelle von 270 cm. Damit wird z.B. auf der Zellenlängsachse 39 an den Schmalseiten der Zellen eine vertikale, nach unten gerich5

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tete magnetische Feldstärke Hz erzeugt, die folgendermas-sen berechnet wird:

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Hz = K ( + ) = K . 0,0022264 5

270 300 400 430 = 7,1 A/cm

K, welches die Dimension Ampere (A) hat, errechnet sich für eine Zelle von 160 kA Stromstärke nach bekannten Regeln der Elektrotechnik für einen in der Länge begrenzten Leiter zu 3185.

Mit der Schienenanordnung diese Beispiels lässt sich folglich eine magnetische Einstreuung der Nachbarzellenreihe von 7,1 A/cm2 vollkommen kompensieren.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken der nächsten Elektrolysezelle geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strom entlang der Zellenlängsseiten in Richtung beider Stirnseiten abführenden Kathodenschienen (35, 38) der einen Zellenlängsseite in verschiedenen Abständen (D, d) von der Zellenlängsachse (39) und die entsprechenden Kathodenschienen (36, 37) der anderen Zellenlängsseite in verschiedenen Abständen (D', d') von der Zellenlängsachse (39) angeordnet sind, wobei die Schienen (35, 37) mit den längeren Abständen (D, D') und die Schienen (36, 38) mit den kürzeren Abständen (d, d') diametral gegenüberliegen und die Versetzungen D-d bzw. D'-d' der Sammelschienen je nach der Lage der benachbarten Zellenreihe (42) derart angebracht sind, dass in der Elektrolysezelle ein magnetisches Zusatzfeld entsteht, das der magnetischen Einstreuung durch die Nachbarzellenreihe entgegengesetzt gerichtet ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die längeren (D, D') und/oder die kürzeren (d, d') Abstände je gleich gross sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den elektrischen Strom abführenden Kathodenschienen (35 bis 38) auf mindestens einer Zellenlängsseite mit derselben Anzahl, der Hälfte von Enden von Kathodenbarren (17) dieser Zellenlängsseite, verbunden sind.