CN101065517A - 用于铝电解还原槽的电连接与磁补偿方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由Hall－Hèroult法通过电解熔解于熔融冰晶石中的氧化铝生产铝时，在串联设置的邻接的槽之间进行电连接与磁补偿的方法与系统，适用于这样一列电解槽，它们沿横切这列的轴线设置且在大于300KA和可能高于600KA的电流下工作。它综合了各已知设计原理的不同优点而给大型电解槽以有效的新颖的技术方案。此方案优化了所形成的磁场与母线性能参数如电压降、重量、电流分布与磁场平均磁平、行间距离、阳极升降器技术方案与母线要求的物理空间。

Description

用于铝电解还原槽的电连接与磁补偿方法及其系统

本发明涉及这样的方法与系统，用于在由所谓的Hall-Heroult法通过电解溶解于熔融冰晶石中的氧化铝来生产铝时，在串联设置的邻接的槽(pot)之间进行电连接与磁补偿。本发明尤其适用于这样一列电解槽，这些槽沿着横切它们所成之列的轴线设置且在大于300KA和可能要高于600KA的电流下工作。

本发明将已知种种布设形式的不同优点相结合，对于大型电解槽的布局给出了经济的技术方案。这一技术方案使所形成的磁场最优化地结合母线性能参数，如电压降、重量、电流分布、磁场的分布与平均磁平、阳极升降器等的技术方案以及母线所需的物理空间。

本发明的技术领域

为了更好地理解本发明，首先应提到于电解槽中进行铝的工业生产方法，这些槽作串联的电连接，通过流经这种槽的电流的加热效应，使熔融冰晶石中的氧化铝溶液通常处于930-970℃的温度下。

各个槽是由支承一包含预烘焙碳块的阴极的绝缘长方体钢壳组成，其中密封着若干称之为阴极电流汇流排的钢棒，这些汇流排将电流传导到槽外，传统上是50％到上游而50％到下游。阴极电流汇流排连接到母线系统上，用来将电流从阴极传导到后续槽的阳极。由碳、钢与铝组成的阳极系统固定在所谓的“阳极架”上，使阳极棒可调节其高度而同前面槽中的阴极棒电连接。

作为930-970℃下熔融冰晶石混合物中氧化铝溶液的这种电解液则处在阳极系统与阴极之间。产生出的铝沉积于阴极表面上。有一层液态铝永久性地保持于阴极坩埚底上。由于此种坩埚呈矩形，通常支承着阳极的阳极架便与坩埚的大边平行，而这些阴极棒则与称之为槽头的上述坩埚的小边平行。

槽中的主磁场是由此阳极与阴极系统之间的电流产成。所有其他的电流则会给予此产成的主磁场以扰动。

这些槽排成数行，按并排方位沿横向设置；它们的短边平行于此电解槽系列的轴线。通常一个电解槽系列是由两行槽表示。这两行中的电流反向。这些槽作串联的电连接，串联的槽列的两端与电的整流与控制分站的正和负的输出端连接。电流通过各种导电元件：阳极、电解液、液态金属、阴极以及连接导线，产生大的磁场。这些磁场与液体电解质和金属中的电流一起形成了坩埚内电解液中的以及液态金属中的磁力流体动力(MHD)作为的基础。那种产生电解液与液体金属流动的所谓LaPlace力也有害于电解槽的稳定作业(稳定性)。槽子的设计以及它们连接导线的设计要使得此槽贴近的及邻区内的槽的各个部分与连接导线都应相互均衡。图1示明了电解槽系列中两个槽的横剖面。

定义：

线电流

它是通过这些槽的DC电流，为各个槽内发生的电化学反应提供能量。

电解槽系列

电解槽系列是由相互连成一列的多个槽组成，由整流器组将线电流供给相应的电路。通常，此电路是由两个(或四个)平行的行组成，此相邻的或贴近的行以相互相反方向载运电流。

对一个由电解槽组成的行进行补偿(行补偿)的条件

在讨论一行电解槽的补偿时，不考虑相邻行的影响。把相继的电解槽连接而形成一电路。这种连接取决于各电解槽的设计与尺寸以及连接母线，本身形成一磁场，这一磁场必须补偿或调整，以均衡由通过电解槽以及后面的电解槽上游与下游之间的电流通路所形成的电解槽本身引起的磁场。

例子见图2。

行补偿指的是由这种局部的槽-槽电流通路所产生的磁场的补偿。

相邻行补偿

在一或多行槽的邻域通常设有一排槽。两行槽通常组成一电解槽系列。这两行中的电流以相反方向流动，如图1所示。

相邻的电解槽系列一般分成两或四个电解槽行。

这些相邻的槽行在情形允许时因于其他电流回路也载运着线电流。来自邻行中所有电流回路的作用之和(取决于电流和行间距离)会影响到有效行中拟补偿的电解槽的磁场。由邻行中电流所形成的这种磁场中和称之为“邻行补偿”。

邻行的作用对整个电解槽区域并非恒定的。磁场强度B根据Biot-Savart定律为：

$B=\frac{2\·I_p}{R}\left[\mathrm{gauss}\right]---\left(1\right)$

式中R为至电源的距离，Ip是电源(导线)的电流。

结果是此磁场强度B在整个电解槽区中变化，而其在槽中的梯度

则随着至邻行距离的减小而变化。

行间距离

来自邻行的垂直磁场强度根据Biot-Savart定律，决定于通过邻行的电流量以及行间距离。

在提出技术方案时，可让两行的间距为20-40米，这两行能位于一共用电解车间即所谓双电解车间内，如图3所示。这种技术方案在电解车间的建筑与场地方面节省了投资费用。

如果相对于电解车间与场地所节省的费用低于在双电解车间中为完成所需补偿而需附加母线的费用，则可将行距增加到超过40米，将此电解车间分成两单个的电解车间，各电解槽行对应一个电解车间。如图3所示，行间距离基本上是所涉及的费用构成以及为均衡随安倍数增大与行间距离减小而增强的磁场所遇到的困难和复杂性之间的平衡结果。

内部补偿

“内被补偿”是通过控制与电解槽连接并围绕电解槽而载运线电流的母线来进行。

一般地说，在电解槽定着点之下与旁侧的电流回路关系到磁场形状的改变。在本说明书中，“内部补偿”包括这样一部分电流，它是从n号电解槽传送到n+1号相邻电解槽，在电解槽之下而在定着点之内(类型1)的和接近电解槽n而在定着点之外电解液-金属液面(类型2)的路径中所汇集的。类型2(电解槽定着点之外的路径)通常是补偿垂直磁场强度分量(Bz)的最有力的方式，参看图4。

补偿电流的路径可以在两个所涉及的行之间(内部)或是在线电流回路之外(外部)。

缩写词：

IC，内部补偿

ICC，内部补偿电流

ICS，内部补偿系统

外部补偿

若是用于补偿电解槽的电流与线电流无关，则它称之为外部补偿电流。外部补偿电流于是进行外部补偿。

可以从同一直流电源通过此同一电源的两个分支，或是通过一独立的电源(升压器)供电。外部补偿是对内部补偿的补充或是替换(在情形允许时)，反之亦然。外部补偿电流的路径可以在两个所涉及的行之间(内部)或是在线电流回路之外(外部)。而最好是与金属液池液面位于同一水平面中(很少在电解槽之下)。这种外部补偿电流路径当位于金属液面的水平面内时只用来补偿垂直场强分量(Bz)，参看图4。

外部补偿电流的方向根据补偿需要可以与电解槽电流平行或相反。

缩写词：

EC，外部补偿

ECC，外部补偿电流

ECS，外部补偿系统

组合补偿

组合补偿(组合内部与外部补偿)通过下列缩写词定义：

CC，组合补偿

CCC，组合补偿电流(ICC与ECC的总和)

CCS，组合补偿系统

CCS，IC，组合补偿系统的内部补偿部分

CCS，EC，组合补偿系统的外部补偿部分

问题的陈述

铝生产用电解槽母线的设计是发展有竞争性的铝还原工艺中多种合格关键领域内的一种智慧型工作。

这是通过母线设计所影响到的众多的重要投资与运行成本因素来说明：

-由LaPlace力 $(\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{i}\×\stackrel{\→}{B})$ 生成的MHD运动

·电解槽的稳定性，它是由磁场的平衡决定，

·阴极电流分布，上游/下游，传统上各侧50％，

·沿上游侧的与下游侧的电流分布

·行内距离。

-母线的重量与复杂性。

-母线系统的电阻。

-一列电解槽所需的地面面积。

-后继的电解槽间的距离。

-电路建设和安装的费用。

-安倍数递增的电解液/金属液区域(电解槽长度)的尺寸。

-母线温度。

-短路风险。

设计人员在开发最优母线系统的过程中有若干自由度，可以用技巧选择符合上述一系列因素的构形(拓扑结构)。

给定构形后，设计者所选择的母线长度与横剖面积应使电压降/重量/稳定性等难题平衡地解决，如图5所示。此母线系统应设计成，使得熔炉寿命期内由电功率预期费用所决定的电压降和由导线的材料费用以及制造与安装费用所决定的投资费用之间获得最优平衡。对于一定的设计(构形)，上述经济优化过程是用净现值分析完成。最优解处在沿图5中构形-特定线上某处。

电流与磁场的存在产生了LaPlace力，导致了电解液与液态金属中的MHD运动和最后因低的阻尼(电解液与液态金属间的密度差小)而使液态金属与电解液界面变形。液态金属中的磁场垂直分量Bz与水平电流分量乃是使得电解槽不稳定的LaPlace力的主要成因。所得的电解产物(电流效率)可能会大大降低而由此增加能耗。

相邻的行产生了叠加到局部磁场上的磁场而使之更不对称。这种由相邻行(包括任何外部补偿电流)产生的磁场效应必须加以中和。

为了在槽之间设置大型复杂形状的导线，必须增大后续槽之间的距离。这就又会加长电路和增大这些槽所需的场地的表面积以及建筑面积。

电解槽的强度增强得越大，它们的尺寸(横向长度)也越增大。增大了的液层面积(电解液/液态金属面积)提高了对磁场大小与梯度的灵敏度。连接导线的设计于是变得更为复杂。

现有技术

本发明是在最近35年内业已发表有许多专利的领域内所实现的。对行与邻行的补偿进行内部与外部补偿作了充分的论证与说明。但是绝大多数专利描述电解槽的磁场补偿是在300KA之下，甚至是低于200KA。有关磁场补偿领域中原理的综述已由R.Huglen inK.Grjothein与H.Kvande给出于“Introduction to AluminiumElectrolysis，”，Aluminium Verlag，Düsseldorf 1986 and 1983。

构成本发明基础的基本知识在上文中未涉及到，这是因为当时还不能从文献或专利中获得这方面的科学认知。

有关先有技术的主要限制是需要理解力去区分良好技术方案与欠佳技术方案。

线电流、行间距离、电压降、母线重量以及电解槽工作稳定性等方面的变化从未以对有实效性能作比较的方式进行对描述。

下表列出了有关领域中的主要专利。

专利号	作者	年份	内补偿	外补偿	行补偿	邻行补偿
							US4713161	Chaffy等	1987	(X)	X	X	X
FR2505368	Homsi	1981	X		X	X
							US4072597	Morel	1978	X			X

先有技术与本发明之间的明显差别是从该槽上游侧将部分线电流带到电解槽定着点之外。

虽然本发明是将5-25％的线电流带到槽的定着点之外，但其他专利与此不同。

专利4072597的技术方案将50％的线电流(全部的上游电流)带到该定着点之外。

专利2505368将25-30％的线电流带到定着点之外。

专利4713161将0％的线电流带到定着点之外。

先有技术缺点

美国专利4713161所描述到的先有技术缺陷也与本发明的技术基础有关。

此外，美国专利4713161则有以下缺点：

若是能将电解槽之间的横向集流器完全撤除而槽间间距相应地减小，则母线长度的减小将会对重量/电压降有很大影响。但是除阳极升降器外集流器也总是需要的。所说明的阳极升降器数是高的，结果带来了与母线复杂性、阳极改变与电解槽分路有关的缺点；

外部补偿母线中的高电流增加了对行补偿的需要，或是加大了行间距离；

若是线电流的上游部分沿着电解槽下最短路径流动，则外部补偿母线必须位于距槽头一较长的距离，强加一具有低梯度的磁场。为此必须在线电流所产生的Bz磁场与由补偿电流产生的反向Bz磁场之间实现较好的配合。较长距离的结果是较高的电流，相应地就有较高的重量和/或电压降；

如果补偿电流源出现故障，则电解槽将变得极不稳定。电流效率(CE)肯定要降低而将不利于电解质与液态金属的运动；

大的外部补偿母线需要空间，支承和屏蔽，这就要求较宽广的底座以及为此而附加的投资；

外部补偿母线位于电解槽室地面的正下方，在槽子的两端产生极强的磁场。

值得注意的是由阴极区上方的外部补偿母线所产生的Bz梯度的大小。加大的补偿电流在电解槽的横向长度上产生出增大了的Bz梯度。可以按下述方式将此梯度中和或减小其危害性，即使此补偿母线远离槽头或调整槽下母线的布局以更好匹配此外部母线所产生的垂直磁场的形状。这两种方法都会增大母线重量和/或电压降。

结果导致在电解槽定着点之下和内部的母线与电解槽定着点之外的母线这两者的影响基本不同。见图4所示。

根据本发明的方法权利要求1-6中所述，可以实现克服了先有技术设计中主要缺点的优化的母线系统。权利要求7-16确定了这种系统。

下面将通过附图与例子描述本发明。

附图说明

图1是一电解槽系列的横剖图(先有技术)；

图2示明电解质一金属液面的Bz磁场(先有技术)；

图3示明单式与双式电解槽室的设计(先有技术)；

图4示明在电解槽头下方与旁侧的补偿(先有技术)；

图5示明电压降/重量/稳定性难题；

图6示明附加母线重量；

图7示明内部补偿份额；

图8示明行间距离影响；

图9示明拟补偿的电解槽类别；

图10示明不同组合补偿的设计；

图11示明350KA下电解槽与补偿设计(ICS，ECS与CCS)；

图12示明大型电解槽与不同的行间距离。

发明描述

本发明涉及用于工业生产铝的串联设置的相续电解槽之间进行电连接的方法与系统，更准确地说涉及这样的导线布设，它可让横向设置的电解槽在高于300KA直到600KA下工作而电流效率为93-97％，同时改进了导线系统，包括槽之间的母线以及外部补偿系统中的母线的技术性能与经济实效。

本发明是以对母线设计的已知方法的优缺点进行了新的透彻分析为基础的。本发明采用了显然不同于先有技术的观念，利用了两种既有补偿方法的较好特点，实现了低重量和低能耗的技术方案。

为此描述了一种可使相应结构的费用最优化以减少投资与运行成本的系统，最后提出一种装置能补偿相邻行产生的磁场而不增加花费。这样，对于安倍数比当前工艺水平高的电解槽，包括双电解槽室工艺，都能适用低行间距离的设计原理。

有关将内部补偿与外部补偿相组合的通常组合形式或传统的考虑是不能获得本发明提供的增益的，这是因为：

业已证明，在取得上述效果前线电流必须达到300KA。在上述电流限度下的电解槽系列通常只对内部补偿有效；

母线系统的设计者必须认识到在何处将获得此增益。

通过引入外部回路而改进为组合式电解槽系列的内部补偿电解槽系列，若仅仅是为了补偿相邻的行便不在本发明的主要范围之内，这是因为这种设计的内部补偿方法的整个潜能彼此低估了。

此外，本发明的基础在于求出了内部补偿电流(CCS，IC)应该在线电流的5-25％的区间内。

外部补偿电流(CCS，ES)的大小最好为线电流大的5-80％。

外部与内部补偿系统两者给环绕电解槽的母线系统附加了重量(从而附加了成本)，但是附加重量对于这两种方法是以极其不同的方式引入的。

外部补偿母线的重量M_ESC与补偿电流成正比：

$m_{\mathrm{ECS}}=I_{\mathrm{ECS}}\·\frac{\mathrm{\δ}\·l_3}{i}---\left(2\right)$

式中

I_ECS为外部补偿母线的电流，[KA]

(对于组合的补偿系统为I_CCS，EC)

m_ECS为补偿母线的附加质量，[Kg]

(对于组合的补偿系统为M_CCS，EC)

i为母线中的电流密度，[KA/dm²]

□为母线材料的质量密度，[Kg/dm³]

I₃为从电解槽n至电解槽n+1的C-C距离，[dm]

由内部补偿法所增加的重量乃是沿上游电解槽侧壁的必须发生电流采集的距离的函数。此附加母线的重量(M_ICS)由下式近似(附加母线重量的计算，示于图6右侧)：

$m_{\mathrm{ICS}}=I_{\mathrm{ICS}}\·\frac{\mathrm{\δ}}{i}\·(l_1+l_2+\frac{I_{\mathrm{ICS}}}{a}\·b)---\left(3\right)$

式中

I_ICS为内部补偿母线中的电流

(对于组合的补偿系统为I_CCS，IC)

m_ICS为补偿母线的附加质量

(对于组合的补偿系统为I_CCS，IC)

a为从进入到集流器母线内的阴极软线所拾取的每段侧壁长度的电流

b为常数，取决于集流器母线横剖面沿此长度的变化而在0.5与1之间。

l₁为附加上游母线的长度，垂直于整个线电流方向，除电流集流器母线、内部补偿外[dm]

l₂为附加下游母线的长度，垂直于整个线电流方向，除电流集流器母线外、内部补偿外[dm]

上述外部补偿法的重量与电流间的线性关系以及内部补偿法的重量与电流间的二阶关系，使得这两种方法能最好地适用于不同的补偿电流电平。

从图6中或2与3的斜率看到，对于每电流单位增加的重量，在低补偿电流的情形，ICC的低于ECC的，而在较高的补偿电流下情形正相反。

用于引入CCS的自然点是在以上两式有相同的斜率处。在到达此点之前，电镀槽应由ICS补偿，而在此点之上所需的附加补偿则应由外部补偿完成。

方程(2)与(3)的斜率补偿能写成下述形式：

$\frac{{\∂m}_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}}{{\∂I}_{\mathrm{CCS}}}{|}_{I_{\mathrm{CCS},\mathrm{ES}}=0}>\frac{{\∂m}_{\mathrm{CCS},\mathrm{EC}}}{{\∂I}_{\mathrm{CCS}}}{|}_{I_{\mathrm{CCS},\mathrm{ES}}=0}---\left(4\right)$

对此(4)求导：

$\frac{\mathrm{\δ}}{i}\·(l_1+l_2+2\·I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}\·\frac{b}{a})>\frac{\mathrm{\δ}}{i}\·l_3---\left(5\right)$

化简：

$l_1+l_2+2\·I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}\·\frac{b}{a}>l_3---\left(6\right)$

CCS的有效范围于是在总的补偿电流I_CCS满足下述条件时：

$I_{\mathrm{CCS}}>\frac{a}{2\·b}(l_3-(l_1+l_2))---\left(7\right)$

此CCS的ICS部分(恒定的)于是由下式定义：

$I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}=\frac{a}{2\·b}(l_3-(l_1+l_2))---\left(8\right)$

此CCS的ECS部分则由下式定义：

I_CCS，EC＝I_CCS-I_CCS，IC          (9)

实际上，I_CCS，EC的引入是在比式(5)、(6)与(7)指出的稍高的补偿需要下进行的，这是由于以下事实：

1.ECS的引入导致附加费用，这意味着ECC在能产生经济效益之前必须符合一定尺寸。

2.要求ESC应比ICS定位于至电解槽头更高的距离。这就会降低ECS的效果和提高了引入极限。

研究内部补偿系统的性质时，应该认识到这种补偿方法包括固有的成份。这些成份甚至在与外部补偿一起使用时也是优越的和有效的。

与外部补偿系统相比，内部补偿系统具有五方面的优点：

用于补偿的电流是从通过槽下的电流(线电流的一部分)减去的，亦即减少了所需的行补偿；

通过调节线电流和在未引入附加的磁场源时，避免了对相邻行产生不利影响的额外因素。外部补偿方法既造成了需要补偿的显著较高的电流，又减小了扰动电流与电解槽之间的距离而结果又需额外补偿；

上游线电流必须绕过电解槽以任何方式到达下一电解槽的升降器。在此特定方向中不需附加额外的母线重量来实施内部补偿；

在已补偿的电解槽和补偿母线之间的电位差很低，易于解决安全问题；

在外部回路击穿时会给还原电解槽的工作稳定性带来极大危害，而内部补偿系统就没有这种弱点，因此可以期望组合的补偿系统能较少受到外部补偿回路击穿的影响。

在只用内部补偿方法难以解决磁稳定性时，正是上述优点使得组合补偿优于外部补偿法。通过内部补偿处理对补偿的影响作为所需补偿的函数示明于图7。

补偿电流的大小必须与拟补偿的磁场相关。磁场强度B是电源大小以及至电源距离的函数。图8示明了行间距离。电流大小(200-600KA)与需要用来中和电源(相邻的行)而形成的补偿电流之间的关系。

对于通行的物理尺寸、电流密度与材料，I_CCS，IC将终止于30KA至70KA之间的某一数值。将这一补偿电平置于图8中，可以看到对于专门将内部补偿法用于双电解槽室(行距约30米)时，约300KA的线电流乃是上限。

通过采用组合补偿，对于低行间距的电解槽系列(包括双电解槽系列)可以提高线电流的前述极限。这关系到可利用的空间价格昂贵或无空间可利用的情形，参看图9中标记a与b。

应知Bx-分量特别是By-分量也会影响到电解槽不稳定，因而在设计母线系统时需注意到此。

组合补偿法对于不太需要和毋需过多重视行间距的另一些应用范围也是极好的技术方案。具有由电解槽下的母线载运着有效的部分上游线电流的长电解槽(载运高的线电流)产生需要高的补偿电流。虽然当行间距离变得较大时需要作适当的邻行补偿，但除需作邻行补偿之外，还需增加行补偿电流最后需要作的总补偿则高于能有效进行只是内部补偿的部分。于是在这种情形下，最好的技术方案是采用组合补偿。

除稳定性、重量、母线复杂性与电压降外，此种设计必须依据“当前工艺水平”，包括例如下述指标：

母线与阳极升降器的最大温度；

不得使电解槽作业复杂化；

阴极钢壳的通风应尽可能地自由；

必须满足SHE(安全、健康、环境)的要求；

必须为电解槽系列未来的安倍数增加留有余地。

需要指出，通过以非对称形式分布阴极电流可以进一步改进本发明。特别是可将来自上游侧的阴极电流分布为线电流的40-50％，最好为45～50％。这样的分布方式表明只有较少的电流必须由此母线线系统载运到电解槽之下或之外，也即可以减少系统本身的复杂性。

附图详述

图1.先有技术电解槽系列的横剖面

此图阐释了本说明书中所用术语，其中示明一ECS。右侧的电解槽配置成，使上游电流处在槽1之下，而使外部补偿母线处于电解槽定着点2之内(朝向相邻行)和之外。

左侧的电解槽经简化以便较容易地计算磁场对右侧电解槽的影响，同时计算磁场对线电流3与外部补偿4的影响。

距离R是行间距离。

图2.先有技术电解槽中电解质一液态金属液面的Bz场

示明了不受相邻行影响的，ECS中的未补偿的与已补偿的Bz场。

所有的线电流被输送到电解槽之下，而所有的行电流补偿是由电解槽定着点内、外的外部补偿实现，类似于美国专利4713161中的图5。

图3.单式与双式电解槽室的先有技术方案

上部的两个横剖图概示了单式电解槽室系统，而下部的一个横剖图则为双式电解槽室系统。

单式电解槽式系统1可以布置成：

电解槽行2对向内壁；

一个电解槽行对向内壁和一个电解槽行对向外壁；

电解槽行朝向外壁。

图4先有技术中电解槽头之下和之内的补偿

示明了电解槽之内和之下的内部补偿(Bz)。

电解槽头位于7.0与-7.0米处。

图5电压降/重量/稳定性的难题

示明了有关在一行的两个相续电解槽之间设计用于其电连接的电路时的电压降/重量/稳定性难题。

I.减小线电流或按比例增加母线重量；

II.加大线电流或按比例减小母线重量；

III.由于需要增加稳定性或是由于母线设计不良而加大补偿母线的重量；

IV.由于牺牲了稳定性或母线设计较优而减少母线重量。

图6附加母线重量

于内部补偿系统中采集电流的区域中涉及到两种母线形状：

棱形，可使重量最小化；

正方形，可用于优化电流分布。

图7内部补偿份额

将内部补偿份额作为补偿需要的函数示明。此补偿需要的其余份额由外部补偿完成。

图8行间距离的影响

邻行电流、行间距离与补偿电流回路间的简化关系类似于这里所示。等电流线应视作为线电流与ECC之和。

图中只示明了对相邻行电流的补偿而未示明行电流。

在给定的线电流下，可以通过加大补偿电流或通过增大行间距离来实现稳定工作的电解槽。

图9拟补偿的电解槽类别

重要的是应注意到以C标明的区域主要补偿行电流本身而不是补偿相邻行。此种方法仅仅是考虑到电解槽长度(线电流)才引入。

在a区与b区更有吸引力的是从双式电解槽室切换到单式电解槽室，而不是增添附加补偿电流。

图10不同组合补偿的设计

图10a，术语

图10b，对适当高的行电流以及短距离的相邻行(双式电解槽室)进行补偿。

图10c，对高的行电流以及短距离的相邻行(双式电解槽室)进行补偿。

图11.ICS、ECS与CCS在350KA下的影响。

双式电解槽室中对于350KA电解槽的ICS(上左)、ECS(上右)与CCS(下部)的未补偿、拟补偿与已补偿的Bz场。

图12大型电解槽与不等的行间距离

此图关系到对不等行间距离布设的大型电解槽的补偿。本发明特别是适用于这种布置形式。

实施例

双式电解槽室中350KA电解槽例。

双式电解槽室的选择可能与可利用的空间或是与准备场地费用有关。要是存在合理费用的自由空间，选用两个单式电解槽室而不是双式的技术方案可能较为经济。

在双式电解槽室中补偿高安倍数槽时，补偿电流本身会产生大量的附加补偿需要，尤其是在ECS情形。这种相关性的影响使得本说明书中的某些图(图8与9)不易看懂，因为这些图涉及到线电流与补偿电流之和。

对于内部电解槽头恰当地表示ICS与ECS的电流与重量可减小例子的规模。此例子依据图10b与图9中类型a的数据。图10a示明术语，图10c示明一种450KA(类型b，图9)的形式。

	类型(图10)	补偿需要*(KA)	附加母线重量(吨)
				内部补偿	ICS	72	5.3
外部补偿	ECS	190	9.2
				组合补偿	CCS	35+65	4.6

^*用考虑到了所分析的电解槽之下和之内(包括相邻的行)母线对Bz影响的一个简单方案进行计算。根据Biot-Savart定律，未考虑到铁部件。

使用的边界条件：

		单位	数值
				线电流	I	kA	350
％上游电流		％	48
				电解质/液态金属与电解槽下母线间的高度	h	m	1.3
行间距离	R	m	30
				电解槽长度		m	14
c-c距离，槽至槽的中心	I3	dm	60
				每阴极软线电流		kA	6.3
阴极软线间距离		dm	5.8
				电流密度，母线	i	kA/dm2	3.33
密度，铝	r	kA/dm3	2.7
				至补偿母线*的距离		dm	1&2

^*与IC母线相比，EC母线置于离开电解槽头1米以外。这是出于安全考虑。

内部补偿系统的附加重量根据式(3)计算。

外部补偿系统的附加重量根据式(2)计算。

组合补偿系统的附加重量根据式(2)与(3)计算，电流分布如式(9)所示。

m_CCS，IC与m_CCS，EC间的典型百分分布示明于图7。

此图也表明了CCS技术方案的优越性，这是因为它说明了m_CCS，IC提供了多于它份额的补偿电流，在ICS与ECS中提供了相同的电解槽稳定水平和相同的比能损失。

在图7中，对于组合补偿技术方案的整个范围，IC保持为40KA。例如：

50KA补偿需要给出80％的内部补偿，即40KA；

100KA补偿需要给出40％的内部补偿，即40KA。

单式电解槽室的600KA的例子

在以前的例子中，对于内电解槽头只提供了IC与EC的电流和重量。本例依据图12中给出的数据。

	类型	补偿需要*(KA)	附加母线重量(吨)
				内部补偿	ICS	70	4.8
外部补偿	ECS	175	8.5
				组合补偿	CCS	35+58	4.3

CCS在此优于ICS与ECS。

Claims (16)

1.一种用于在生产铝的一列或多列Hall-Herouit型高强度电解槽中进行电连接与磁补偿的方法，其中由第一电流支持各电解槽中的电解过程，此种电流称为线电流，此线电流由于有至少一部分位于电解槽定着点之外的内部补偿电流(CCS，IC)而在一定程度上减小了电解槽中不希望有的磁场，且其中还提供有独立的第二电流用于对各个电解槽中剩余的不需要磁场进行补偿，而此独立的第二电流称为外部补偿电流(CCS，EC)，其特征在于：

此内部补偿电流(CCS，IC)相当于5-25％的线电流，而在内部补偿系统(CCS，IC)与外部补偿系统(CCS，EC)之间，称之为组合补偿系统(CCS)的设置与平衡则的依据下述步骤优化这种电连接系统的重量与电压降的方式作了进一步设计：

I.当补偿需要I_CCS在至少一个电解槽头周围高于下式中给定的电平时，选择CCS：

$I_{\mathrm{CCS}}>\frac{a}{2\·b}(l_3-(l_1+l_2))$

II.设满足了步骤I中的不等式，则于此电解槽头或两个电解槽头周围使由内部补偿系统(CCS，IC)实现的补偿电流量各近似于：

$I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}=\frac{a}{2\·b}(l_3-(l_1+l_2))$

III.对于此电解槽头或两个电解槽头的补偿需要的其余部分则由外部补偿系统(CCS，EC)进行，

以上各式中的符号说明于下：

I_CCS组合补偿系统的总的补偿电流，

I_CCS，IC组合补偿系统的内部补偿电流，

a从进到集流器母线内的阴极软线所取得的每段侧壁上长度上的电流，

b常数，取决于集流器母线横剖面沿此长度的变化而在0.5与1之间，

l₁附加上游母线长度，垂直于整个线电流方向，除集流器母线、内部补偿，

l₂附加下游母线长度，垂直于整个线电流方向，除集流器母线、内部补偿外，

l₃从n号电解槽到n+1号电解槽的距离，记为c-c距离。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述外补偿电流的大小(CCS，EC)为线电流大小的5-80％。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述来自上游侧的阴极电流分布为线电流的40-50％而最好是45-50％。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述行间距离为25-150m。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述线电流为300-600KA。

6.根据权利要求3的方法，其特征在于：分布到电解槽定着点之外的内部补偿电流的至少一部分是按近似于电解质/液态金属界面的垂直高度的垂直高度分布。

7.一种用于在生产铝的一列或多列(Hall-Heroult型)高强度电解槽中进行电连接与磁补偿的系统，其中此系统给这些槽输送支持各槽中电解过程的第一电流，此电流称作线电流；所述电流由于有至少一部分位于电解槽定着点之外的内部补偿电流(CCS，IC)而在一定程度上减小了电解槽中不希望有的磁场，且其中还提供有独立的第二电流用于对各个电解槽中剩余的不需要磁场进行补偿，而此独立的第二电流称为外部补偿电流(CCS，EC)，其特征在于：

此内部补偿电流(CCS，IC)相当于5-25％的线电流，而在内部补偿系统(CCS，IC)与外部补偿系统(CCS，EC)之间，称之为组合补偿系统(CCS)的设置与平衡则的优化此电连接系统的重量与电压降方式作了进一步设计，为此，围绕一或两个电解槽头由内部补偿系统(CCS，IC)实现的补偿电流量各近似于：

$I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}=\frac{a}{2\·b}(l_3-(l_1+l_2))$

而对于上述电解槽头的补偿需要的其余部分则由外部补偿系统(CCS，EC)完成，

上式中的符号说明于下：

I_CCS，IC组合补偿系统的内部补偿电流，

a从进到集流器母线内的阴极软线所取得的每个侧壁长度上的电流，

b常数，取决于集流器母线横剖面沿此长度的变化而在0.5与1之间，

l₁附加上游母线长度，垂直于整个线电流方向，除集流器母线、内部补偿，

l₂附加下游母线长度，垂直于整个线电流方向，除集流器母线、内部补偿外，

l₃从n号电解槽到n+1号电解槽的距离，记为c-c距离。

8.根据权利要求7的系统，其特征在于：至少是所述母线之一设置在类似于电解质/液态金属界面高度的垂直高度处。

9.根据权利要求7的系统，其特征在于：两个独立的导线系统具有不同的电位。

10.根据权利要求7的系统，其特征在于：两个独立的导线系统可以具有共同的或独立的电流源(整流器组)。

11.根据权利要求7的系统，其特征在于：CCS的ECS部分中设计的电流量随行间距离的减小而增加。

12.根据权利要求7的系统，其特征在于：电解车间包括两列或更多列电解槽且行间距离为25-150m。

13.根据权利要求7的系统，其特征在于：电解车间包括两列或多列电解槽且线电流为300-600KA。

14.根据权利要求7的系统，其特征在于：CCS设置成能安装相邻的电解槽系列或增加电流。

15.根据权利要求7的系统，其特征在于：CCS设置成能进行所有的常规作业并可进一步进行改进/更新。

16.根据权利要求7的系统，其特征在于：CCS设置能进行临时性停机。

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