CN101092712A - 用于补偿由相邻的串联连接的高功率电解槽的行诱导的磁场的装置 - Google Patents

Abstract

用于补偿电解槽线性排列串中的磁场的装置，它由主补偿电导体和辅助补偿电导体组合构成。主内部和外部补偿导体与串联槽的相应侧隔开。内部辅助补偿导体置于槽的底部，并沿着主内部补偿导体。第一和第二外部辅助补偿导体置于槽的底部。第一辅助导体置于槽外侧的阴极棒上。第二外部辅助导体置于第一外部辅助导体与槽的短轴之间。

Description

用于补偿由相邻的串联连接的高功率电解槽的行诱导的磁场的装置

技术领域

本发明涉及通过电解溶解在相对于电解车间中排列的电解槽串的轴横向排列的高功率电解槽中的熔融冰晶石中的氧化铝来制造铝。

背景技术

铝通常通过在使电流流过槽而串联电连接的槽中，电解冰晶石中的氧化铝溶液来制造。各个电解槽由形成坩埚的矩形阴极构成。该槽的底部由置于阴极钢棒上的碳块形成，该阴极钢棒适于将电流从阴极向以下槽的阳极传输。同样由碳制成的阳极系统被固定在阳极母线(busbar)上位结构(super-structure)的下方，并与在先槽的阴极棒连接。

呈冰晶石中的氧化铝溶液形式的电解液(electrolysis bath)被置于阳极系统与阴极之间。产生的铝沉积在阴极上。为了提供热飞轮效果，约20cm厚的一层液态铝永久地保持在阴极坩埚的底部。考虑到坩埚的矩形构造，支撑阳极的阳极棒通常平行于坩埚的长边缘，而阴极棒平行于其短边缘，称为槽头。

这些槽在纵向或横向方向上排列成线，这取决于是长边还是短边平行于该线的轴。将这些槽串联电连接，串终端与电整流和调节子站的正输出和负输出连接。各个电解槽串包含定量的串联分支线，线的数目较佳地为偶数以避免不必要的导体长度。

电流流过诸如电解液、液态金属、阳极、阴极和连接导体的各个导体，会产生大量磁场。这些场在包含在坩埚中的电解液和熔融金属中产生对槽的适当操作有害的力。这些槽和相应连接导体被排列成使得由其不同部分建立的磁场适于互相补偿。从而得到具有与槽线平行并通过坩埚中心作为其对称平面的垂直平面的电解槽。然而，槽还会受到从相邻的一条线或多条线发射的磁场的有害干扰。

美国专利3,616,317公开了提供对来自以首尾相连关系排列的相邻电解槽的磁场的补偿效果的设备，它包括在电解槽列(potline)外侧的直流导体，在此，其中的电流在与电解槽列的电流方向相反的方向流动。导体中的电流负载构成电解槽列电流的约25％。

该现有技术设备唯一适用于其中槽以首尾相连的方式排列的低安培电解槽列。

来自导体的磁场双曲线地展开。首尾连接排列的槽的相邻行与槽中熔融铝层的纵轴之间的距离为10-18m，而补偿传导与熔融铝层的轴之间的距离为2.5-3.5m。补偿导体中安培数几乎比电解槽列的安培数小4倍。在这一方式中，来自电解槽相邻行的垂直磁场和来自补偿导体母线的类似场彼此相对取向。铝熔体中来自补偿导体母线的场与来自相邻行电解槽的磁场双曲线地改变，且来自补偿母线的场比来自相邻行的槽的场强烈得多。结果，来自相邻行的槽的磁场补偿提供在长度仅为3.5-4.5m的较小熔体区域。然而，当槽并排排列时，并且当有必要在10-18m的区域中补偿铝熔体中的磁场时，上述现有技术的设备不提供所需的补偿。这是因为，在槽的一半中的磁场补偿和在槽的另一半中不足的磁场补偿不能提供所需的等量补偿。

美国专利4,072,597教导了现有技术中对来自并排排列的电解槽相邻行的磁场效应补偿的方法，其中，流向下游槽的阳极的电流由相邻的上游槽的阴极供给。在该安排中，来自阴极的电流由输入和输出阴极棒提供。位于更靠近相邻的电解槽行一侧的上游阴极棒和位于与相邻的电解槽行的相对的一侧的下游阴极棒形成产生附加的磁场的电回路，该附加磁场基本上等于相邻的磁场并作用在在相反方向。这是由于在靠近相邻行的一侧并与上游槽的阴极棒连接的导体中的安培数更高。

美国专利4,159,034公开了提供对来自相邻的串联连接电解槽的行的磁场补偿的设备。各个槽包含金属阴极器件。相邻的平行电解槽行穿过该行电解槽的纵轴取向，阴极器件在阴极衬上承载液态铝层。该现有技术设备包含基本上置于液态铝层水平处并设置在电解槽行两侧的两个补偿电导体。直流电源与补偿导体连接。在该安排中，在电解槽串、电解槽列(内部导体)和分开设置在槽外侧的其它补偿导体(外部导体)的内侧分开地设置一个补偿导体。内部补偿导体中的直流在与电解槽列中的电流相同的方向流动。另一方面，外部导体中的直流在与电解槽列中电流方向相反的方向流动。内部和外部补偿导体串联连接。补偿导体中的安培数由以下方程式定义：

B＝2i/d

式中，B是以10^-4特斯拉为单位的磁场；i是以千安为单位的安培数；d是以米为单位的距离。

以这样一种方式选择补偿导体：沿槽的长轴的平均总磁场等于0。

上述现有技术的补偿设备的主要缺陷是它们不能有效地补偿由相邻的高功率电解槽的行产生的磁场或来自安培数高达320-400kA或以上的导体的磁场。

为了使美国专利4,159,034的设备适应安培数为350-400kA的一行槽，有必要显著地将电解槽行(电解槽列)之间的距离增加150m以上，以在熔体周围保持可接受的磁场值。这将显著地增加在电解车间中的占地成本以及电解槽列之间长母线的成本。此外，由于长母线中的热电压，电功耗也大大增加。上述因素显著地减少了对高安培数电解槽列投资的收益。

发明内容

在下文中，本申请中使用的术语“上游”和“下游”涉及流过预定的电解槽行的电流的总方向(串联排列中电流的方向)。术语“相邻行”是指最靠近该预定行的行，而术语“相邻行的场”是指除了在考虑中的行之外所有行的磁场的结果。

术语“相邻线”是指最靠近在考虑中的线的线，术语“相邻线的场”是指远离在考虑中的线的所有线的场的结果。

Bx、By和Bz是沿直接直角三面体中的轴Ox、Oy和Oz的磁场分量，其中心O是槽的阴极平面的中心，Ox是槽的方向上的纵轴，Oy是横轴，Oz是向上取向的垂直轴，相对于位于朝向相邻线的槽内侧和与相邻线相对的外侧向上取向。

附图说明

图1是相对于串联轴横向排列的电解槽的示意性截面图，其中Ox轴垂直于图中的平面延伸；

图2是排列成两条平行线的电解槽串的示意性俯视图；

图3是示出了来自相邻电解槽行和补偿设备的磁场相互作用的视图。

具体实施方式

现在一般地参照附图并具体参照示出了本发明的补偿安排的图1-2。各个电解槽10包含设置有呈碳块16形式的阴极和阳极结构14的金属壳15。浸在碳块16中的金属阴极棒1 8收集离开槽的电流。母线将电流传导通过侧冒口(side riser)到达后续槽的导体中，形成用于阳极悬挂(suspension)的梁(beam)。槽中包含电解液22和液态铝的层20。因此，在该常规的安排中，各个槽的阴极输出通过上游头(upstream head)供给后续的下游槽。

如图1所示，电解槽10在内侧28和外侧30之间纵向延伸。在垂直方向上，槽10在顶部24与底部26部分之间延伸。如图2进一步示出，串联槽相对于串联轴横向取向，各个槽的短轴或纵轴沿着或基本上平行于相应线中的槽的轴取向。如图1中进一步示出，在各个槽10中，垂直轴OZ和短轴或纵轴OX穿过阴极平面的中心O。

现在参照图2，示出了排列成两条平行线的电解槽串的位于串联槽内侧的一部分。设置主内部补偿导体32以补偿相邻线的场。在电解槽串的外侧，设置主外部补偿电导体34。该主补偿导体可使用连接器35连接。虚线表示电解电流通过的方向。主内部补偿导体32沿槽的内侧28排列，且主外部补偿导体34沿槽的外侧30排列。可从辅助整流器分开地或通过由连接器35串联定位对两种主补偿导体供给直流电流。这些补偿导体中消耗的总功率与进行电解过程所需的能量相比较低。两种主补偿导体32和34位于靠近电解槽中的液态铝金属的水平。

参考标号25示出了指定电解槽线中的电流方向，而参考标号27示出了在相邻槽的线中的电流方向。适于直流通过的辅助补偿导体36、38和40在槽线中的槽的底部26下方沿着或基本上平行于相应主内部和外部补偿导体32和34设置。至少一个内部辅助补偿电导体36置于电解槽串中相应槽的底部26下方靠近内部主补偿导体32的一侧的外侧阴极棒18。内部辅助补偿导体36中的电流方向与主内部补偿导体32中的电流方向基本上相同。

至少两个外部辅助补偿电导体38和40在电解槽串中槽的底部26下方沿主外部补偿导体34设置。第一外部辅助导体38设置在外部主补偿电导体34一侧的外侧阴极棒18处。第二外部辅助补偿导体40置于外部辅助补偿导体38与短X电解槽之间。主和辅助外部导体34、38和40中的电流方向基本上相同。

内部补偿导体32、36可通过母线35与外部补偿导体34、38和40连接。在本发明的一个实施方式中，两组补偿导体均与一个直流电源连接。在另一个实施方式中，各个补偿导体与单独的直流电源连接。在电解槽行42中，电解槽列的电流从底部导向顶部方向(从观测者的角度看)。另一方面，在相邻电解槽行44中，电流导向相反的方向。由两个电解槽行和补偿设备构成的整个电解槽列被容纳在在同一屋顶下的同一电解车间中。

图1-2清楚地示出了，在本发明的一个实施方式中，第一外部辅助补偿导体38和第二外部辅助补偿导体40置于壳的外侧30与通过阴极平面的中心和短轴或纵轴OX的平面之间。在垂直平面内，第一和第二外部辅助补偿导体与相应槽的底部26隔开。内部补偿导体36置于壳的内侧28与通过阴极平面的中心和槽的纵轴OX的平面之间。辅助内部补偿导体36与外部补偿导体38和40由大间隙相互隔开，并置于通过纵轴OX的垂直平面的相对侧上。

本发明的补偿安排按以下方式操作。串中的各个电解槽行适于400kA的安培数。串中的两个电解槽线行42和44设置在一个电解车间内。各电解槽行在相邻行的槽的熔体中建立垂直的、向上取向的磁场分量。在这一示例中，行的(纵)轴之间的距离约为30m。在图3的图表中，曲线κ示出了具有以几乎双曲线的方式从槽的内侧向外侧由48.9×10^-4特斯拉减小/改变至23.2×10^-4特斯拉的强度的相邻行磁场的作用(影响)。

主内部补偿电导体32和主外部补偿电导体34在熔体中形成垂直磁场，该磁场具有与相邻电解槽行的磁场相反的取向。来自主补偿导体32和34的磁场在熔体中双曲线地展开。适于安培数至少为400kA的电解槽的长度为10-18m。因此，来自主补偿导体的磁场不对相邻电解槽行的熔体中产生的磁场提供的最优补偿。然而，在本发明的设备中，与内部和外部主补偿导体相互作用的辅助补偿导体36、38和40能够对由相邻电解槽行产生的磁场提供最优补偿。

在上述实施方式中，补偿导体中的相应电流强度如下：补偿导体34 32-50kA；补偿导体34-35kA；补偿导体36-40kA；补偿导体34 38-40kA；以及补偿导体40-15kA。

排列本发明的补偿设备的补偿导体，并通过使用将铁磁结构考虑在内的Biot-Savart-Laplace原理的计算机程序来选择它们各自的安培数。

在图3的图表中，曲线L反映了来自主内部和外部补偿导体以及辅助补偿导体的总磁场。曲线M表示来自相邻电解槽行的总磁场或所得磁场以及来自补偿导体的磁场，它表示磁场的代数和，即，M＝K+L。

上述示例示出了，利用本发明的补偿设备提供了对由相邻电解槽行产生的磁场的最优补偿。在这方面，在图3的图表中清楚地示出了来自相邻电解槽行(线)的有效磁场的值(由曲线M表示)最小并接近于0，偏差不超过3×10^-4特斯拉。

本发明的设备提供了对由相邻的串联连接槽的行诱导的磁场的补偿，并在并排排列、强度至少为350-400kA的高功率槽的列的可操作区域中产生最优磁场。在这一方式中，在费用水平减少的情况下，提供电解槽的最优性能。

Claims (5)

1.一种用于补偿由相邻的、大致平行的电解槽线在电解槽线性排列串中诱导的磁场的装置，各个所述电解槽含有一个方向上在其顶部与底部之间延伸以及其它方向上在内部和外部之间延伸的金属罐，含有多个阴极棒的阴极器件，所述槽相对于所述串的轴横向取向，各个所述罐含有一层液态铝，所述补偿装置包含：

与所述串联槽的内侧横向隔开的主内部补偿电导体，与所述串联槽的外侧横向隔开的主外部补偿电导体；

置于电解槽列中槽的底部，靠近位于相应槽的内侧的阴极棒，并且沿着所述主内部补偿电导体的至少一个内部辅助补偿电导体；

置于串联槽的底部沿所述主外部补偿电导体的至少第一和第二外部辅助补偿电导体，所述第一外部补偿电导体置于位于相应槽的外侧的阴极棒附近，所述第二外部辅助电导体置于所述第一外部辅助电导体与相应槽的短轴之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主内部和外部补偿电导体基本上置于相应槽中液态铝层的水平。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极棒形成阴极器件的一部分，所述阴极棒通过阴极母线与电解槽串中的下游电解槽的相应阳极器件的阳极冒口连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包含与所述补偿导体关联的直流电源，所述内部补偿电导体中的直流方向与电解槽线中的电流方向一致，而所述外部补偿电导体中的电流方向与电解槽线中的电流方向相反，其中所述内部和外部补偿电导体串联连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助补偿电导体基本上平行于所述主补偿电导体取向。

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