CH656152A5

CH656152A5 - Schienenanordnung fuer elektrolysezellen.

Info

Publication number: CH656152A5
Application number: CH5320/81A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang-Hatting Schmidt
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1981-08-18
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1986-06-13
Also published as: AU8694882A; EP0072778B1; EP0072778A1; CA1178241A; DE3133049C1; US4396483A; ZA825805B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über Kathodenschienen, Verbindungsschienen und Steigleitungen zur der Zelle zugewandten Längsseite der Traverse der Folgezelle, wobei ein Teil der Verbindungsschienen unter der Zelle angeordnet ist.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluorid-schmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith 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 Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CCh und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970 °C statt.

Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Kruste aus festem Elektrolytmaterial eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuer Tonerde angehoben werden.

Eine Elektrolysehalle hat mindestens zwei Reihen von längs- oder quergestellten Zellen, welche in Serie von elektrischem Gleichstrom durchflössen werden. Bei einer betrachteten Reihe von Zellen erzeugt immer mindestens eine Rücklei-tung eine vertikale magnetische Einstreuung, welche die erwünschte magnetische Symmetrie in einer Elektrolysezelle erheblich stört. Diese Vertikalkomponenten der magnetischen Induktion sind hauptsächlich verantwortlich für die magnetischen Effekte Metallströmung und Metallaufwölbung, weil sie vorwiegend mit den Horizontalkomponenten der Stromdichte im Metall zu magnetischen Volumenkräften reagieren.

Der Elektrolysestrom, welcher durch die Traverse, die Anodenstangen, die Anoden, den Elektrolyten, das flüssige Metall, den Kohleboden und die Kathodenbarren fliesst, erzeugt ein magnetisches Eigenfeld der Zelle mit starken Vertikalkomponenten in deren vier Ecken. Bei symmetrisch angeordneten Verbindungsschienen von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten Elektrolysezelle zur Traverse der Folgezelle wird dieses Eigenfeld im allgemeinen von den Verbindungsschienen unterstützt.

In jüngster Zeit sind deshalb zahlreiche Anstrengungen unternommen worden, die Verbindungsschienen von quergestellten Elektrolysezellen so zu führen, dass die Vertikalkomponenten des Eigenfeldes durch diejenigen der Verbindungsschienen möglichst weitgehend kompensiert werden. Daneben ist jedoch noch der Einfluss der magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung, d.h. der Nachbarzellenreihe, zu beachten. Dieser Einfluss ist zu kompensieren versucht worden, indem die Anordnung der Verbindungsschienen in bezug auf die Zellenquerachse asymmetrisch erfolgt.

In der DE-OS 26 53 643 wird das Kompensieren magnetischer Vertikalkomponenten angestrebt, indem die Enden der Kathodenbarren auf mindestens einer Längsseite der quergestellten Elektrolysezellen in verschiedener Anzahl mit zu der Traverse der folgenden Zelle führenden Schienen verbunden sind. Dies hat in bezug auf ein magnetisches Zusatzfeld denselben Einfluss wie das Durchtrennen der Kathodenschienen an einer entsprechenden Stelle.

In der DE-OS 28 41 205 werden Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse beschrieben, wobei der an deren Längsseiten aus den Katho5

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denbarren austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zum Anodenbalken der nächsten Zelle geführt wird. Diese den Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden Sammelschienen bzw. Verbindungsschienen sind auf jeder der beiden Zellenlängsseiten in verschiedenen Abständen angeordnet, wobei jedoch die Abstände von zwei diametral gegenüberliegenden Sammelschienen gleich sind.

Im Gegensatz zu diesen beiden Vorveröffentlichungen, die in erster Linie auf die Kompensation der magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung zielen, wird in der US-PS 3 969 213 versucht, das Eigenfeld der Zelle durch eine spezielle Anordnung der Verbindungsschienen zu kompensieren. Die Verbindungsschienen der US-PS 3 969 213 werden in zwei Typen unterteilt:

- Die erste Art von Verbindungsschienen nimmt den Strom von einem oder mehreren stromauf liegenden Kathodenbarrenenden über flexible Bänder ab, führt unter der Zelle durch in Richtung Querachse zu deren Mitte und von dort in Zellenlängsrichtung bis zu einer ausserhalb der Stirnseiten der Zelle liegenden gemeinsamen Verbindungsschiene, welche zur Steigleitung der Folgezelle führt.

- Die stromab liegenden Kathodenbarrenenden sind gruppenweise an eine zweite Art von Verbindungsschienen angeschlossen, welche entlang der Zellenlängsseite zur erwähnten gemeinsamen Verbindungsschiene führen.

Durch Verschiebung der Symmetrie in bezug auf die Zellenquerachse können in der US-PS 3 969 213 die magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung zu kompensiert werden.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, mittels einer weiter verbesserten Schienenkonfiguration die magnetischen Vertikalkomponenten des Eigenfeldes der Zelle in den vier Ecken zu unterdrücken, indem eine Anordnung geschaffen wird, welche neben geringen Kosten für das Schienenmaterial auch einen optimal niedrigen ohmschen Gesamtwiderstand in den Verbindungsschienen zulässt und so die Betriebskosten der Zelle erniedrigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur praktisch vollständigen Kompensation des magnetischen Eigenfeldes der Zelle an den stromaufliegenden Kathodenbarrenenden in bezug auf die Zellenquerachse in jeder Zellenhälfte wenigstens je zwei einzeln oder gruppenweise angeschlossene Kathoden- bzw. Verbindungsschienen

- in der Zellenmitte vollständig unter der Zelle durch,

und

- zwischen der Zellenmitte und den Stirnseiten bis in den Bereich der Zellenlängsachse unter der Zelle durch, dann auf ungefähr gleichem Niveau in Zellenlängsrichtung bis wenig über die Stirnseiten hinaus, in geringem Abstand entlang dieser Stirnseiten in Richtung Folgezelle und schliesslich entlang der'Zellenlängsseite zu einer Verbindungsschiene der stromab liegenden Kathodenbarrenenden bzw. zu einer Steigleitung führen.

Vorzugsweise ist eine im Bereich der Zellenlängsachse angeordnete Verbindungsschiene exakt symmetrisch in bezug auf die Ebene der Zellenlängsachse angeordnet. Bei der Anordnung von mehreren Verbindungsschienen gilt zusätzlich, dass diese bevorzugt nicht nur symmetrisch, sondern auch möglichst nahe der Zellenlängsachse angeordnet sind.

Die bis zum Bereich der Längsachse unter der Zelle durch und über die Stirnseiten der Zelle hinausführenden Verbindungsschienen sind wesentlich länger als die in der Mitte vollständig unter der Zelle durch führenden Verbindungsschienen. Durch entsprechende Auslegung der Schienenquerschnitte kann das Verhältnis der elektrischen Gesamtwiderstände von den Kathodenbarrenenden bis zu der Traverse der Folgezelle bestimmt und so gewählt werden, dass die gewünschte Stromaufteilung auf die beiden Typen von Verbindungsschienen stattfindet. Das gleiche Ergebnis könnte erzeugt werden, wenn die beiden Schienentypen gleichen Querschnitt haben, aber aus Metallen mit verschiedenem elektrischen Widerstand hergestellt sind.

5 Sollen gleichzeitig zum Eigenfeld der Zelle auch die vertikalen magnetischen Komponenten der Rückleitung kompensiert werden, so können die Kathoden- und/oder Verbindungsschienen in bekannter Weise in bezug auf die Querachse der Zelle asymmetrisch angeordnet werden, beispiels-lo weise wie in der DE-OS 28 41 205.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Reihe quergestellter Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium.

i5 Der elektrische Gleichstrom fliesst von einer Elektrolysezelle 10 in der allgemeinen Stromrichtung I zur Folgezelle 12. Aus einer Längsseite 14 der Elektrolysezelle 10 treten zwölf stromaufliegende Kathodenbarrenenden 16 aus. Diese sind -in bezug auf die Querachse Q der Elektrolysezellen symme-20 trisch - mit zwei getrennten, entlang der Zellenlängsseite 14 angeordneten Kathodenschienen 18 verbunden.

Die der Zellenquerachse Q benachbarten Enden der Kathodenschienen 18 sind über flexible Bänder mit horizontal vollständig unter der Zelle durchführenden Verbindungs-25 schienen 20 verbunden. Ungefähr in der Mitte der Kathodenschienen 18 führen weitere flexible Bänder zu Verbindungsschienen 22, die vorerst in einem Teilstück 22A horizontal unter der Zelle durch bis in den Bereich der Zellenlängsachse L verlaufen, dann in einem zweiten Teilstück 22B in Richtung 3o der Zellenlängsachse L auf ungefähr gleichem Niveau wenige cm bis 1 m ausserhalb der Stirnseiten 24 der Elektrolysezelle 10 führen, in einem dritten Teilstück 22C entlang der Stirnseiten verlaufen und schliesslich über ein letztes Teilstück 22D entlang der Längsseite 26 der Elektrolysezelle 10 in eine 35 gemeinsame Verbindungsschiene 28 münden.

Die zwölf stromab liegenden Kathodenbarrenenden 30 sind ebenfalls mit zwei in bezug auf die Zellenquerachse Q symmetrischen Kathodenschienen 32 verbunden. Ein ungefähr in der Mitte der Kathodenschienen angeschlossenes Ver-40 bindungsstück 34 führt zu einer gemeinsamen Verbindungsschiene 28, die über eine Steigleitung 36 zur Traverse 38 der Folgezelle führt. Die der Zellenquerachse Q zugewandten Enden der Kathodenschienen 32 sind über eine Verbindungsschiene 42 mit einer ebenfalls zur Traverse 38 führenden 45 Steigleitung 40 verbunden.

Sowohl die Steigleitungen (36,40) selbst als auch die zur Traverse (38) führenden Schienen (44) können als einzeln isolierte oder Verbindungsschienen paar- bzw. gruppenweise vereinigende Stromleitbarren ausgebildet sein.

5o Die Asymmetrie zur Kompensation des vertikalen Magnetfeldes der Nachbarzellenreihe kann erzeugt werden, indem, z.T. in bekannter Weise, mindestens zwei der paarweise angeordneten Schienen oder die Länge der Kathodenbarrenenden unterschiedlich ausgebildet sind, beispielsweise 55 durch

- eine unterschiedliche Anzahl von an den Kathodenschienen (18,32) angeschlossene Kathodenbarrenenden (16, 30),

- einen paarweise unterschiedlichen Querschnitt von ent-60 sprechenden Schienen,

- einen unterschiedlichen Abstand der Verbindungsschienenstücke 22C von den Stirnseiten 24 der Elektrolysezelle, und/oder

- eine unterschiedliche, jedoch punktsymmetrische Länge 65 von in bezug auf die Zellenlängsseite gegenüberliegenden

Kathodenbarrenenden ( 16,30) und eine dadurch sich zwangsläufig ergebende Asymmetrie der Verbindungsschienen (20,22,34).

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über Kathodenschienen, Verbindungsschienen und Steigleitungen zur der Zelle zugewandten Längsseite der Traverse der Folgezelle, wobei ein Teil der Verbindungsschienen unter der Zelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur praktisch vollständigen Kompensation des magnetischen Eigenfeldes der Zelle (10) an den stromaufliegenden Kathodenbarrenenden (16) in bezug auf die Zellenquerachse (Q) in jeder Zellenhälfte wenigstens je zwei einzeln oder gruppenweise angeschlossene Kathoden- (18) bzw. Verbindungsschienen (20,22)

- in der Zellenmitte vollständig unter der Zelle (10) durch (20), und

- zwischen der Zellenmitte und den Stirnseiten (24) bis in den Bereich der Zellenlängsachse (L) unter der Zelle (10) durch, dann auf ungefähr gleichem Niveau in Zellenlängsrichtung bis wenig über die Stirnseiten (24) hinaus, in geringem Abstand entlang dieser Stirnseiten (24) in Richtung der Folgezelle (12) und schliesslich entlang der Zellenlängsseite (26)

zu einer Verbindungsschiene (28,42) der stromab liegenden Kathodenbarrenenden (30) bzw. zu einer Steigleitung (36,40) führen.

2. Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strom in Zellenlängsrichtung über die Stirnseite (24) hinausführende/n Verbindungsschiene/n (22B) in bezug auf die Zellenlängsachse (L) symmetrisch angeordnet ist/sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen mehrerer Verbindungsschienen (22) die den Strom in Zellenlängsrichtung über die Stirnseite (24) hinausführenden Teilstücke (22B) in bezug auf die Zellenlängsachse (L) symmetrisch und möglichst nahe bei ihr angeordnet sind.

4. Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der den elektrischen Strom über die Stirnseiten (24) hinausführenden Verbindungsschienen (22) grösser ist als derjenige der in der Zellenmitte vollständig unter der Zelle (10) hindurchführenden Verbindungsschienen (20).

5. Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die den elektrischen Strom über die Stirnseiten (24) hinausführenden Verbindungsschienen (22) aus elektrisch besser leitendem Material bestehen als die den Strom in der Zellenmitte vollständig unter der Zelle (10) hindurchführenden Verbindungsschienen (20).

6. Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der paarweise angeordneten Kathoden- (18,32) bzw. Verbindungsschienen (20,22) in bezug auf die Zellenquerachse (Q) asymmetrisch ausgebildet sind.

7. Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Kathodenbarrenenden (16,30) in bezug auf die Zellenquerachse (Q) asymmetrisch ist.

8. Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Verbindungsschienen (22C) von den Stirnseiten (24) der Zelle einige cm bis 1 m beträgt.