DE2613867A1

DE2613867A1 - Verfahren und vorrichtung zur versorgung von quer angeordneten elektrolysezellen fuer die schmelzflusselektrolyse mit elektrischem strom

Info

Publication number: DE2613867A1
Application number: DE19762613867
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Dugois; Paul Morel
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-03-31
Publication date: 1977-03-24
Also published as: BR7601930A; NL7603364A; NZ180454A; SE7603744L; PL111472B1; FR2324761A1; JPS5237504A; FR2324761B1; YU80976A; CA1061745A; NO143849C; NO761099L; CH611343A5; AU500834B2; RO73364A; US4049528A; OA05292A; DE2613867C3; AU1247576A; JPS573751B2

Description

zur Versorgung von quer angeordneten Elektrolysezellen für die Schmelzflußelektrolyse mit elektrischem Strom

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung von quer angeordneten Elektrolysezellen für die Schmelzflußelektrolyse mit elektrischem Strom. Sie bezieht sich auf das Gebiet der Metallgewinnung auf elektrolytischem Wege, insbesondere auf die Herstellung von Aluminium 'mit einer Schmelzfluß-Elektrolysezelle.

Eine Schmelzfluß-Elektrolysezelle hat ein rechteckiges Elektrolysiergefäß, dessen die Kathode bildender Boden aus Kohleblöcken zusammengesetzt ist, welche zur Schmalseite der Zelle parallele Metallstangen umschließen. Die Kathode wird durch einen oder mehrere, Sammelleitungen genannte negative Leiter mit elektrischem Strom versorgt. Auf dem Elektrolysiergefäß ist ein Aufbau befestigt, der zur Langseite der Zelle parallele waagerechte Stromzuleitungsschienen aufweist, an die Kohleanoden angehängt sind. Das Elektrolysiergefäß enthält ein Elektrolysebad, das sich im wesentlichen aus in Kryolith gelöster Tonerde zusammensetzt. Die waagerechten Anodennippel werden durch einen oder mehrere, Steigleitungen genannte positive Speiseleiter mit elektrischem Strom versorgt. Unter der Wirkung des Stromdurchganges wird die Tonerde in an der Kathode sich absetzendes Aluminium

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und in Sauerstoff zersetzt, der sich mit der Kohle der Anoden verbindet. Ein Teil des Bades verfestigt sich bei Berührung mit den. Seitenwänden des Elektrolysiergefäßes und bildet so eine thermisch und elektrisch isolierende Böschung. Bei quer angeordneten Elektrolysezellen, d.h. mit ihrer Langseite senkrecht auf der allgemeinen Stromflußrichtung in der Zellenreihe, spricht man von hinteren oder vorderen Enden der Kathodenkontaktbolzen, je nachdem ob sie an der in der allgemeinen Stromflußrichtung hinteren oder vorderen Seite/Klfaulragen.

Die Zellen sind in Reihe geschaltet, wobei die kathodischen Sammelleitungen einer hinteren bzw. vorgeschalteten Zelle mit den anodischen Steigleitungen der benachbarten vorderen bzw. nachgeschalteten Zelle verbunden sind.

Der Durchgang des elektrischen Stromes in den Speiseleitern und in den elektrisch leitenden Teilen der Zelle erzeugt Magnetfelder, die Bewegungen im flüssigen Metall und eine Deformierung der Trennfläche Metall-Elektrolysebad hervorrufen, wobei sie auf diese Weise den guten Zellengang stören. Es ist wichtig, die Auswirkungen dieser Magnetfelder auf ein Geringstmaß herabzusetzen.

Die Lösung dieses Problems besteht in der sorgfältig gewählten Anordnung der Speiseleiter.

Gemäß einer bekannten ersten Lösung werden die Anoden über Steigleitungen gespeist, die seitlich an den Kopfenden der Zelle ankommen.

Gemäß einer bekannten zweiten Lösung erfolgt die Stromversorgung mit zwei Steigleitungen, die an der Viertel- bzw. der Dreiviertelteilung der Langseite der Zelle entsprechenden Stellen angeordnet sind, wobei die der nachgeschalteten Zelle abgewandte Sammelleitung der vorgeschalteten Zelle um jedes Kopfende der vorgeschalteten Zelle herumgeht, um in

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den Zwischenraum zwischen den beiden Zellen in Richtung auf die entsprechende Steigleitung der nachgeschalteten Zelle zurückzukehren.

Aufgrund der erzielten Ergebnisse stellen diese beiden Verfahren nur Teillösungen dar, wobei die Vorteile des einen etwa den Nachteilen des anderen entsprechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Versorgung von Schmelzfluß-Elektrolysezellen mit elektrischem Strom zu schaffen, das die Auswirkungen der Magnetfelder auf ein Geringstmaß herabsetzt, sowie eine Stromversorgungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Verfahren nach der Erfindung findet Anwendung auf rechteckige Elektrolysezellen mit einem Elektrolysiergefaß, dessen die Kathode bildender Boden aus Kohleblöcken zusammengesetzt ist, die zur Schmalseite der Zelle parallele Metallstangen umschließen, und dessen Anode Anodenkohleblöcke aufweist, die an die eine oder die andere von zwei zur Langseite der Zelle .parallelen Stromzuleitungsschienen aus Metall angehängt sind. Gemäß diesem Verfahren werden eine erste Stromzuleitungsschiene einer nachgeschalteten Zelle vom in Stromflußrichtung hinteren Ende der Kathodenkontaktbolzen der benachbarten vorgeschalteten Zelle aus gleichzeitig an den Lang- und den Schmalseiten und die andere Stromzuleitungsschiene vom in Stromflußrichtung vorderen Ende der Kathodenkontaktbolzen der vorgeschalteten Zelle aus nur an der Langseite gespeist, so daß die von den verschiedenen Speiseleitern erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig ausgleichen.

Vorzugsweise ist die erste Stromzuleitungsschiene der nach-

/ in Stromflußrichtung geschalteten Zelle die/hintere Stromzuleitungsschiene, die zweite Stromzuleitungsschiene die in Stromflußrichtung vordere,

Die Vorrichtung nach der Erfindung hat zur gemeinsamen Symmetrieebene (XX) der Zellen paarweise symmetrisch angeordnete

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Steigleitungen, welche die von einem vorderen und einem hinteren Element zusammengesetzten Kathodensammelleitungen .der vorgeschalteten Zelle mit den Stromzuleitungsschienen der nachgeschalteten Zelle verbinden. Jedes Element der in Str.omflußrichtung hinteren Sammelleitung hat ein Mittelsegment und ein Endsegment. Es sind vier Steigleitungen vorhanden, nämlich eine hintere und eine vordere Endsteigleitung, welche die Enden der Endsegmente der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung der vorgeschalteten Zelle mit den Enden der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene der nachgeschalteten Zelle verbinden, und eine vordere und eine hintere Mittelsteigleitung mit jeweils zwei Segmenten, die im wesentlichen in der einen oder der anderen der beiden zur Symmetrieebene (XX) parallelen, durch den η-ten bzw. (1-n)-ten Teilungspunkt der Länge der Kathoden gehenden Ebenen und den Lücken zwischen Mittelsegmenten und Endsegmenten der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung gegenüber angeordnet sind, wobei η eine Bruchzahl zwischen 1/8 und 1/4 ist. Das erste Segment jeder Steigleitung geht von einem Punkt des Mittelsegmentes der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung aus, ist unter der vorgeschalteten Zelle verlegt und kommt an der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene an, während das zweite Segment vom entsprechenden Segment der in Stromflußrichtung vorderen Sammelleitung ausgeht und an der in Stromflußrichtung vorderen Stromzuleitungsschiene ankommt.

Jede in Stromflußrichtung hintere und vordere Sammelleitung liefert einen elektrischen Strom, der gleich ist der Hälfte des durch die Zelle fließenden Gesamtstromes, wobei der in jeder der unter der vorgeschalteten Zelle verlegten Steigleitungen fließende Strom zwischen 1/8 und 3/16 des Gesamtstromes I beträgt, wobei 1/8 η = 1/4 entspricht, während 3 1/16 η = 1/8 entspricht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Schnitt durch eine Hälfte einer Elektrolysezelle,

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eine Elektrolysezellen-Hälfte, worin mit Pfeilen die von drei Leitern erzeugten Felder angegeben sind,

Fig. 3 eine Draufsicht auf zwei Elektrolysezellen mit ihren Verbindungsleitern,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die hinteren Hälften von zwei Elektrolysezellen eines speziellen Ausführungsbeispiels für die technische Anwendung, und

Fig. 5 einen Schnitt in einer durch die Mittelsteigleitung gehenden vertikalen Ebene durch zwei von ihren jeweiligen Längssymmetrieebenen begrenzte Elektrolysezellen-Hälften des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4.

'Das Verfahren findet Anwendung auf quer angeordnete Elektrolysezellen.

Gemäß Fig. 1 hat eine Elektrolysezelle ein von einem Badkasten 1 gebildetes Elektrolyseergefäß, dessen Boden von Kathodenkontaktbolzen getragene Kohleblöcke aufweist und die Kathode 2 bildet. Die Seitenwand des Badkastens 1 ist an der Innenseite mit eine Böschung 3 bildendem verfestigtem bzw. erstarrtem Elektrolysebad ausgekleidet. Auf der Kathode 2 liegt eine Schicht 4 von geschmolzenem Metall, über d?r das Elektrolysebad 5 steht, welches sich aus in Kryolith gelöster Tonerde zusammensetzt. Die Trennflache Metall-Bad ist mit 6 bezeichnet. Das nachfolgend als Anode 7 bezeichnete anodische System setzt sich aus einer Vielzahl von quaderförmigen Kohleblöcken zusammen, deren Unterseiten in ein und derselben, Anodenebene 8 genannten Ebene liegen. Diese Anode 7 taucht in das Elektrolysebad 5 ein, ohne jedoch

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die Trennfläche 6 Metall-Bad zu erreichen. Zwischen der · Anode 7 und der Böschung 3 ist ein Peripheriekanal 9 ausgebildet.

Das Elektrolysebad 5 wird durch Joulesehe Wärme auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1000 ⁰C gebracht. Um einen maximalen energetischen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, daß diese für die Aufheizung aufgebrachte Energie so weit wie möglich reduziert wird, was eine sorgfältige Wärmeisolierung der Zelle und eine Verringerung des Anodenabstandes, d.h. des Abstandes zwischen der Anodenebene 8 und der Trennfläche 6 auf ein Minimum erfordert, so daß der elektrische Widerstand der Zelle herabgesetzt ist und für das Aufheizen des Elektrolysebades 5 gerade ausreicht. Es ist daher notwendig, daß die Anodenebene 8 und die Trennfläche 6 beide eben und waagerecht sind, einmal um jede Möglichkeit eines Kurzschlusses zu vermeiden, zum anderen um eine homogene Verteilung der elektrischen Ströme zu sichern.

Das Fließen des elektrischen Stromes in den Speiseleitern und im Elektrolysebad 5 erzeugt nun ein Magnetfeld, welches Bewegungen in der Schicht 4 aus flüssigem Metall und eine Deformierung der Trennfläche 6 Metall-Bad hervorruft, die sich wölbt. Dies führt einerseits dazu, daß der Anodenabstand nicht konstant ist, woraus sich eine heterogene Verteilung der Ströme ergibt, und andererseits, daß sich bei Berührung mit der Anode 7 Sauerstoff abscheidet, mit einem Mengenmaximum in den Bereichen minimalen Anodenabstandes und umgekehrt. Dieser zweite Effekt ruft einen unregelmäßigen Abbrand der Anode 7 hervor, deren Anoden-¹¹ ebene" 8 aufhört, eben zu sein.

Es ist daher wichtig, die Auswirkung dieser Magnetfelder auf ein G-eringstmaß herabzusetzen.

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Bei den nachstehenden Berechnungen ist als Ausgangspunkt für die Koordinaten das Zentrum der Kathode 2 auf dem oberen Niveau der Kohleblöcke genommen. Die Achse Ox ist die quer, in Richtung des elektrischen Stromes verlaufende Horizontalachse, Oz die nach oben gerichtete Senkrechte und Oy ist so gelegt, daß ein rechtwinkeliges,rechtshändiges Koordinatensystem gebildet ist.

J ist der Vektor Stromdichte; seine Projektionen auf die Achsen Ox, Oy und Oz sind Jx, Jy bzw. Jz;

B ist der Vektor Magnetfeld, Bx, By und Bz seine Projektionen auf die drei Achsen;

F ist die Laplace-Kraft;

S = Rot F ist der Rotor der Laplace-Kraft;

d1 und d2 sind die Dichten des Eleltrolysebades 5 und des Metalls; der Index 1 ist im allgemeinen dem Elektrolysebad 5, der Index 2 dem Metall zugeordnet;

g ist der Vektor Schwerkraft;

2 ist der Vektor, der als Komponenten , —— und

-h ^hat· "

Die Laplace-Kräfte haben zwei Auswirkungen auf die Zelle: - einen statischen Effekt, der bedingt ist durch die Kraft: F = JaB und zu einer haubenförmigen Mveauverlagerung

der Trennfläche 6 Bad-Metall führt, deren Steilheit fz J₂ y Bz

<fx (d2-d1)g

-J_oxBz

C.

beträgt,

Sy (d2-di)g

- einen dynamischen Effekt, der durch

die Kraft F = JAB und zugleich durch Rot F = (B. Δ ) J - (J .Λ ) "I bedingt ist.

Dieser zweite Effekt kann scheraatisch dargestellt werden, indem man einerseits die vertikale Komponente Bz des Magnetfeldes und seine horizontale Komponente Bxy, die man als ein

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kreisrundes, gegenläufig sich drehendes PeId vergegenständlichen kann, und andererseits die vertikale Komponente^zder der Stromdichte und ihre horizontale Komponente Jxy getrennt betrachtet, die in der Zelle im allgemeinen nach außen strebt, ausgenommen auf dem Umfang der Anode 7, wo, je nach der Breite des Peripheriekanals 9, der lage der Böschung 3 und der Höhe des Elektrolysebades 5, Jxy in-Stärke und Richtung verschieden sein kann. In der Tabelle 1 ist die Richtung der Laplace-Kräfte angegeben.

Stromdichte

TABELLE 1

Bxy

Magnetfeld

Bz

( zentrifugal y > zentripetal

Jz

vertikal nach unten vertikal nach oben

Zentripetalkraft

direkt oder rückläufig

ohne Einwirkung

Da die Elektrolysezelle zur Ebene xOy symmetrisch ist, ist, wenn man von den andereren Zellenreihen absieht, festzustellen, daß

- die Felder antisymmetrisch sind, d.h., daß an jeder Stelle der Zelle, wenn man y zu -y macht,

Bx zu -Bx wird, By unverändert bleibt, Bz zu -Bz wird,

- im Zentrum der Rotor der Laplace-Kräfte einen sehr vereinfachten Ausdruck hat und im Gleichgewichtszustand der Zelle, d.h., wenn Jx (0) = 0, geschrieben wird:

Rx = 0

Ry = By

Rz ss By

6 Jy

- Jz

cfBy

(Gleichung 1)

Wenn sich die Zelle im Gleichgewichtszustand befindet und Jx entlang der großen Achse Null ist, dann ist infolge Symmetrie Jy = 0 im Zentrum, woraus:

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^j ο Jx ό Jy Jjζ

dy Sj ti j /y

cTJx
Da —-— = O, weil Jx auf der Achse Oy Null ist, ergibt sich:

/jy —, woraus Rz = - By —p—

<Ty Jj

Die magnetischen Bedingungen für den guten Arbeitsgang der Zelle lassen sich wie folgt angeben:

- im Zentrum der Zelle: By = 0 (Gleichung 2),

/By
—— = 0 (Gleichung 3).

cy

Da der Koeffizient in der Gleichung (1) bei quer ange-

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ordneten Zellen wenig groß ist, weil der Strom längsgerichtet ist, ist die Bedingung der Gleichung (3) größer bzw. wichtiger als diejenige der Gleichung (2);

- unter der Anode: Bz muß ein Minimum haben, um die hauben-. förmige Deformierung zu mildern; Bxy ist weniger wichtig, da im Elektrolysebad 5 unter der Anode 7» außer bei deformierter Anode 7, aufgrund der Größe des spezifischen Widerstandes des Elektrolysebades 5 nur eine verringerte Stromdichte vorliegt; die einzigen, auf waagerecht fließenden Strom zurückgehenden Stromdichten bestehen somit im Metall; sie streben vom Mittelpunkt weg und ergeben, zusammen mit dem waagerechten Magnetfeld, nach unten gerichtete Kräfte, sind somit ohne Nachteil.

Damit die Einwirkung auf den vertikalen Strom nicht Bewegungen hervorruft, müssen die Kräfte und damit die Felder im Gleichgewicht sein. Die Symmetrie der Elektrolysezelle gestattet die Ausbildung von zur Ebene xOz symmetrischen Feldern. Gleichgewicht muß auch zwischen den Feldern vor und nach der Elektrolysezelle bestehen.

- im Peripheriekanal 9: Bz muß ausreichend klein sein, damit es unter dem Eirfluß der waagerechten Komponenten des in

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diesem Bereich stets vorhandenen Stromes, der durch Pfeile 10 und 11 angedeutet ist, nicht zu kreisförmiger Verlagerung des Elektrolysebades 5 kommt. Zudem ist es notwendig, daß Bz nicht überall auf einer Halbzelle das gleiche Vorzeichen hat, um zu vermeiden, daß das Elektrolysebad 5 und das Metall an den Zellenkopfenden in Drehung versetzt werden. Tatsächlich ist die waagerechte Komponente des Stromes zentrifugal im Elektrolysebad 5 und zentripetal im Metall. Daraus ergibt sich, daß ein vertikales Magnetfeld, das beispielsweise ständig nach oben gerichtet wäre, eine im Kreis gerichtete Kraft erzeugt, die ständig rückläufig im Elektrolysebad 5 und ständig direkt im Metall ist, was selbstverständlich vollständig zu vermeiden ist.

Weiterhin gilt für den Peripheriekanal 9, daß das Feld Bxy kreisförmig und rückläufig ist, während der waagerechte Strom im Elektrolysebad 5 vom Mittelpunkt weg strebt und im Metall zum Mittelpunkt hin gerichtet ist; die entsprechende Laplace-Kraft ist somit im Elektrolysebad 5 vertikal nach unten und im Metall vertikal nach oben gerichtet; alles ereignet sich, als wenn man die spezifische Masse des Elek-. trolysebades 5 unter Verringerung derjenigen des Metalls erhöhen würde. Da dies in der am wenigsten warmen Zone der Elektrolysezelle, in der Nähe der Wände des Badkastens 1, geschieht, wo die Dichten des Elektrolysebades 5 und des Metalls ähnlich sind, wird die Inversion Bad-Metall begünstigt.

Dort, wo die waagerechten elektrischen Ströme im Peripherikanal 9 nicht verhindert werden können, kommt es also darauf an, die Amplitude des waagerechten Feldes zu begrenzen.

Die einzuhaltenden magnetischen Bedingungen lassen sich in der folgenden Weise zusammenfassen:

d By

- im Zentrum der Elektrolysezelle: =0» By = 0;

dz

- unter der Anode 7: Minimum für Bz,

Bxy, gleiche Amplituden und entgegengesetze Vorzeichen zwischen den in Stromflußrichtung hinteren und vorderen Seiten;

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- Peripheriekanal 9: Minimum für Bz; Minimum für Bxy.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, werden die Steigleitungen entsprechend Fig. 3» in der die allgemeine iTußrichtung des Stromes mit dem Pfeil 12 angegeben ist und welche die elektrische Verbindung zwischen einer vorgeschalteten Zelle 13 und einer nachgeschalteten Zelle 14 zeigt, vermehrfacht.

Die Kathodenkontakfbolzen der Zelle 13 sind an jedem ihrer Enden mit einer Sammelleitung verbunden. Die an der der Zelle 14 zugewandten Seite angeordnete, in Stromflußrichtung vordere Sammelleitung weist zwei Segmente auf, nämlich ein hinteres Segment 15 und ein vorderes Segment 16, die zur gemeinsamen Symmetrie ebene XX^r Zellen 13 und 14 symmetrisch angeordnet sind. Die an der entgegengesetzten Seite angeordnete, in Stromfluß richtung hintere Sammelleitung wei^izwei ähnlich symmetrische Elemente auf, von denen jedes zwei Segmente hat. Die Sammelleitung ist somit aus vier Segmenten zusammengesetzt, von denen zwei mittlere Segmente, nämlich ein hinteres 17 und ein vorderes 18, zur Symmetrieebene XX ■symmetrisch sind, und die beiden Endsegmente, nämlich ein hinteres 19 und ein vorderes 20, sind ebenfalls zur Symmetrieebene XX symmetrisch angeordnet. Die Lücken zwischen Mittelsegmenten und benachbarten Endsegmenten befinden sich an Stellen, die der η-ten bzw. der (1-n)-ten Teilung der nuiäoaren Zellenlänge, die diejenige der Kathode 2 ist, entsprechen, wobei η eine Bruchzahl zwischen 1/8 und 1/4 ist.

Die Anodenblöcke der Zelle 14 sind an zwei elektrisch leitende Stromzuleitungsschienen 21 und 22 angehängt, die in der Längsrichtung der Zelle 14 angeordnet sind. Die Stromzuleitungsschienen 21 und 22 der Zelle 14 sind mit den Sammelleitungen der Zelle 13 durch vier, zur Symmetrjeebene XX paarweise symmetrische Steigleitungen verbunden. Es sind zwei Endsteigleitungen zu unterscheiden, nämlich eine hintere 23 und eine vordere 24, die jeweils einen einzigen Leiter aufweisen, und zwei "mittlere" Steigleitungen, die an Stellen angeordnet sind,

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welche der η-ten bzw. der (1-n)-ten Teilung der Zellenlänge entsprechen, somit gegenüber den Lücken zwischen den Segmenten 17 und 19 bzw. 18 und 20 der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung/ Dxe Enden einer ersten Stromzuleitungsschiene 21, die vorzugsweise die in Stromflußrichtung hintere ist, sind mit den Enden der Segmente 19 und 20 der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung durch die Endsteigleitungen 23 und 24 verbunden. An zwei Stellen, die der η-ten bzw. (1-n)-ten Teilung der Zellenlänge entsprechen, ist die Stromzuleitungsschiene 21 an zwei Punkte der Mittelsegmente 17 und 18 der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung angeschlossen, wobei die zwei zuletzt genannten Punkte vorzugsweise an Stellen liegen, die im wesentlichen der η-ten und (1-n)-ten Teilung der Länge der aus den Segmenten 17 und 18 zusammengesetzten Anordnung dieses mittleren Elementes entsprechen. Dieser Anschluß ist mit einem hinteren und einem vorderen Segment 25 und 26 der Mittelsteigleitung hergestellt, die unter der Zelle 13 verlegt sind. Die zweite Stromzuleitungsschiene 22, die vorzugsweise die in Stromflußrichtung vordere ist, ist ihrerseits mit der aus den zwei Segmenten 15 und 16 .zusammengesetzten, in Stromflußrichtung vorderen Sammelleitung durch zwei Mittelsteigleitungssegmente verbunden, nämlich ein hinteres 27 und ein vorderes 28, wobei das hintere Segment 27 zwei Punkte miteinander verbindet, die an der n-ten Teilung der Länge der Sammelleitung bzw. der Stromzuleitungsschiene 22 entsprechenden Stellen sich befinden, und das andere Segment 28 den Anschluß zwischen zwei Punkten herstellt, die gleicherweise an Stellen liegen, die der (1-n)-ten Teilung dieser Länge entsprechen. Auf diese Weise bilden die beiden Segmente 25 und 27 die hintere Mittelsteigleitung, die an einer Stelle angeordnet ist, die der η-ten Teilung der Länge der Zellen entspricht, während die Segmente 26 und 28 die vordere Mittelsteigleitung bilden, an einer Stelle entsprechend der (1-n)-ten Teilung der Länge.

Selbstverständlich besitzt auch die Zelle 13 ein anodisches System mit zwei zu den Stromzuleitungsschienen 21 und 22

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analogen Stromzuleitungsschienen, die mit den Sammelleitungen der voraufgehenden Zelle verbunden sind, und die Zelle 14 hat, analog zur Zelle 13» zwei in Stromflußrichtung hintere und vordere Sammelleitungen, die an die Stromzuleitungsschienen der folgenden Zelle angeschlossen sind.

Der Strom fließt in der entsprechend Pig. 3 (Pfeil 12) von links nach rechts gehenden allgemeinen Richtung, wobei die Stromflußrichtung in jedem Leiter mit einem Pfeil angegeben ist. Jede Sammelleitung und jede Stromzuleitungsschiene wird von der Hälfte des durch jede Zelle fließenden Gesamtstromes durchflossen. Der von der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung kommende Strom wird in zwei gleiche Teile unterteilt, von denen der eine um das Zellenkopfende herum und zum Ende der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene 21 der folgenden Zelle 14 geht, und der andere unter der vorgeschalteten Zelle 13 hindurch zur Mittelsteigleitung der nachgeschalteten Zelle 14 geht. Die Stärke des in jedem der unter der vorgeschalteten Zelle 13 hindurchgeführten Steigleitungssegmente 25 und 26 fließenden Stromes beträgt zwischen •1/8 und 3/16 der Geamtstärke I des durch die Zelle fließenden Stromes, entsprechend dem Wert von n, wobei 1/8 η = 1/4 entspricht, während 31/16 η = 1/8 entspricht.

Verschiebt man den unter der Zelle 13 verlegten Teil der Steigleitungssegmente 25 und 26 parallel zu diesen, was eine Verlagerung der Stromentnahmepunkte am hinteren und vorderen Mittelsegment 17 und 18 mit sich bringt, verändert man den Wert der Komponente By des Magnetfeldes im Zentrum der Zelle. Es ist auf diese Weise möglich, diese Komponente Null werden zu lassen.

Die Enden der beiderseits der Lücken 17-19 und 18-20 angeordiEten Sammelleitungssegmente liegen, wenn die Zelle elektrisch im Gleichgewicht arbeitet, auf gleichem Potential. Es ist daher von Vorteil, sie durch Äquipotentialleiter kurzzuschließen. Die in der Symmetriebene XX liegenden Lücken bzw. Unterbrechungen 15-16 und 17-18 müssen dagegen erhalten bleiben.

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Pig. 2 zeigt die "bei diesem Zellentyp verwendete Vorrichtung zum Kompensieren der Magnetfelder.

Bei den bekannten Zellen hat das vertikale Feld Bz ein Maximum in .den Ecken, insbesondere an der in Stromflußrixhtung hinteren Seite der Zelle. Man erzeugt eine Kompensation zwischen den von den Mittelsteigleitungen 27, dem seitlichen Leiter 23 und dem unter der Zelle hindurchführenden Leiter 25 erzeugten Feldern. Das von den Mittelsteigleitungen 27 erzeugte Feld ist in dem in Stromflußrichtung hinteren Bereich stärker als in dem in Stromflußrichtung vorderen Bereich, ebenso wie das vom seitlichen Leiter 23 erzeugte Feld: es besteht somit eine gute Kompensation über der Gesamtheit der Schmalseite der Zelle. Das Feld By ist an der Vertikalen der Mittelsteigleitungen 27 immer maximal. Die über und unter der Zelle verlegten waagerechten Leiter sind in solchen Abständen angeordnet, daß Kompensation besteht, was den Wert des resultierenden Feldes By in der Zone, wo er maximal ist, verringert. Schließlich ist das von den Stromzuleitungsschienen erzeugte Feld Bx schwach, da einerseits die Stromzuleitungsschienen zwischen den Mittelsteigleitungen von Zentripetalströmen durchflossen sind, wobei sich die Felder somit durch Symmetrie kompensieren, und andererseits die beiden Stromzuleitungsschienen an den Enden der Zelle jeweils von entgegengesetzten Strömen durchflossen sind und sich ihre Felder ebenfalls kompensieren.

In Fig. 4 und 5 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel dargestellt. In der Draufsicht der Fig. 4 ist von den Zellen 13 und 14 nur die oberhalb der Symmetrieachse XX der Zellenreihe angeordnete hintere Hälfte dargestellt. Die nicht gezeichnete vordere Hälfte ergibt sich durch Symmetrie zu dieser Achse.

Bei jeder der dargestellten beiden Zellen 13 und 14 ist das Elektrolysiergefäß von einem Badkasten 1 gebildet, dessen Boden von Kathodenkontaktbolzen 29 gebildet ist, die

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Kohleblöcke 30 abstützen. Das anodisclie System weist die in Stromflußrichtung hinteren und vorderen Stromzuleitungsschienen 21 und 22 auf, von denen jede ein Doppel-T-Eisen 31 bzw. 32 hat, an dem ein Flachprofil 33 bzw. 34 aus Aluminium angebracht ist. Die Anode ist von Anodenkohleblöcken 35 gebildet, die am Ende von Stangen 36 befestigt sind, welche ihrerseits mit Zangen 37 gegen die Flachprofile 33 und 34 geklemmt sind.

Die kathodischen Sammelleitungen sind mit den Kathodenkontaktbolzen 29 durch Verbinder 38 verbunden. Das allein gezeichnete hintere Element der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung umfaßt das hintere Mittelsegment 17 und das hintere Endsegment 19. Das hintere Mxttelsegment 17 ist mit der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene 21 der folgenden Zelle 14 durch das erste hintere Segment 25 der Mittelsteigleitung verbunden. Die üittelsteigleitung wiiSö einen unter der vorgeschalteten Zelle 13 verlegten unteren waagerechten Abschnitt 39, einen schrägen Abschnitt 40 im Zwischenraum zwischen den beiden Zellen I3 und 14» und einen .oberen waagerechten Abschnitt 41 auf, der an der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsscliiene 21, d.h. am Doppel-T-Eisen 31 und Flachprofil 33» ankommt. Das hintere Segment 15 der in Stromflußrichtung vorderen Sammelleitung ist mit der in Stromflußrichtung vorderen Stromzuleitungsschiene 22 der folgenden Zelle 14 durch ein zweites hinteres Segment der ßüttelsteigleitung verbunden, das einen schrägen Abschnitt 42 und einen waagerechten Abschnitt 43 aufweist, der an der in Stromflußrichtung vorderen Stromzuleitungsschiene 22, d.h. am Doppel-T-lisen 32 und Flachprofil 34, der nachgeschalteten Zelle 14 ankommt. Die schrägen Abschnitte 40 und 42 und die waagerechten Abschnitte 41 und sind in ein und derselben vertikalen, zur Achse XX parallelen Ebene angeordnet, die an der Stelle liegt, die dem ersten Vierteilungspunkt der nutzbaren Länge der Zelle, d.h. der Länge der Kathode, entspricht. Der untere waagerechte Abschnitt 39 ist in einer parallelen Ebene angeordnet, die sich

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etwa in der Nähe des oberen Viertels des hinteren Mittelsegmentes 17 der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung befindet. Das Ende des hinteren Endsegmentes 19 der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung der vorgeschalteten Zelle 13 -ist mit dem entsprechenden Ende der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene 21 der nachgeschalteten Zelle 14 durch eine hintere Endsteigleitung 23 mit einem waagerechten Abschnitt 44 und einem schrägen Abschnitt 45 verbunden. Da die Stromzuleitungsschienen 21 und 22 verstellbar sind, sind die Steigleitungen daran mit flexiblen Elementen angeschlossen.

Eine Reihe dieser Zellen mit vorgebrannten Anoden gibt, bei Queranordnung und einer Stromstärke von 175 kA des durch die Zellen fließenden Stromes, die folgenden Ergebnisse:

- im Zentrum: By = 1 Gauß; —ρ— = 2,6 Gauß/m;

Oz

- der maximale Wert von Bz, als Absolutwert, ist 46 Gauß, an der in Stromflußrichtung vorderen Langseite;

- der maximale Wert von Bxy, ebenfalls als Absolutwert, ist 153 Gauß unter der Mittelsteigleitung; das Gleichgewicht zwischen dem in Stromflußrichtung hinteren und dem in Stromflußrichtung vorderen Bereich von Bxy ist gut (die in Stromflußrichtung hinteren und vorderen waagerechten Felder sind beinahe gleich);

- das Gesamtgewicht der Leiter, bei einer mittleren Strom-

dichte von 30 A/cm , beträgt 18,8 Tonnen.

Mit einer gleich ausgeführten Zelle, die jedoch gemäß der weiter oben beschriebenen ersten Lösung gespeist wird, d.h. über seitliche Steigleitungen an den Kopfenden, erhält man, vergleichsweise, die folgenden Ergebnisse:

cfBy

- im Zentrum: By = 1 Gauß, =10 Gauß/m;

Sz

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- Bz ist schwach an der in Stromflußrichtung vorderen Säte, stark an anderen Stellen, mit einem Maximum von 220 Gauß in der in Stromflußrichtung hinteren Ecke;

- Bxy ist, bezogen auf die in Stromflußrichtung hinteren und vorderen Bereiche, symmetrisch, mit einem Maximum von 140 Gauß unter der Mittelsteigleitung;

- das Gesamtgewicht der Leiter, bei der gleichen mittleren Stromdichte, beträgt 22,3 Tonnen.

Mit einer gleich ausgeführten Zelle, die jedoch gemäß der weiter oben beschriebenen zweiten Lösung gespeist wird, d.h. durch zwei Mittelsteigleitungen, die an den Stellen angeordnet sind, die dem ersten und dem dritten Vierteilungspunkt der Langseite der Zelle entsprechen, wobei die in Stromflußrichtung hintere negative Sammelleitung um das Kopfende der Zelle herumgeführt ist, um

in den Zwischenraum zwischen den Zellen in Richtung der Mittelsteigleitung der folgenden Zelle zurück-•zukehren, erhält man die folgenden Ergebnisse:

/By

- im Zentrum: By = 42 Gauß, =6,25 Gauß/cm;

Sz

- Bz ist überall schwach, ausgenommen an der Seite, wo 47 Gauß erreicht werden;

- Bxy ist zwischen dem in Stromflußrichtung hinteren Bereich (98 Gauß) und dem im Stromflußrichtung vorderen Bereich (196 Gauß) im Ungleichgewicht, wobei das Maximum mit 196 Gauß unter der Mittelsteigleitung erreicht wird;

- das Gesamtgewicht der Leiter, bei der gleichen mittleren • Stromdichte von 30 A/cxa. , beträgt 21,9 Tonnen.

Durch Kompensation der Magnetfelder der Zellen und durch partielle Kompensation ihrer Ableitungen gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrischen Stromversorgung

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der Zellen, die Kriterien eines guten Arbeitsganges der quer angeordneten Zellen zu erfüllen, nämlich:

S By

PeId Null im Zentrum, — schwach im Zentrum, überall

ο ζ

Minimum für Bz, Minimum für Bxy mit Gleichgewicht zwischen dem in Stromflußrichtung hinteren und dem in Stromflußrichtung vorderen Bereich.

Außerdem bringt diese Anordnung zwei sehr wichtige zusätzliche Vorteile: eine Verringerung der Länge der Leiter, die sich in einer Gewichtsersparnis von etwa 15$ gegenüber den beschriebenen zwei früheren Lösungen/ und eine bessere Verteilung der Ströme in der Kathode durch Verringerung von Jy, wobei die negativen Sammelleitungen statt mit einem Segment, wie bei den früheren Lösungen, mit zwei oder drei Segmenten je Halbzelle ausgeführt sind.

/Ansprüche

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Leerseite

Claims

ANSPRUCHE

C'

[1.^; Verfahren zur Versorgung von quer angeordneten Elektrolysezellen für die Schmelzflußelektrolyse mit elektrischem Strom, für Anwendung auf rechteckige Elektrolyseffillen mit einem Elektrolysiergefäß, dessen die Kathode bildender Boden aus Kohleblöcken zusammengesetzt ist, die zur Schmalseite der Zelle parallele Metallstangen umschließen, und dessen Anode von Anodenkohleblöcken gebildet ist, die an die eine oder die andere von zwei zur Langseite der Zelle parallelen Stromzuleitungsschienen aus Metall angehängt sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Stromzuleitungsschiene (21) einer nachgeschalteten Zelle (14) vom in Stromflußrichtung hinteren Ende der Kathodenkontaktbolzen (29) der benachbarten vorgeschalteten Zelle (13) aus •gleichzeitig an den Lang- und den Schmalseiten und die zweite Stromzuleitungsschiene (22) vom in Stromflußrichtung vorderen Ende der Kathodenkontaktbolzen (29) der vorgeschalteten Zelle (13) aus nur an der Langseite gespeist werden, so daß die von den verschiedenen Speiseleitern erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig ausgleichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei unter der Zelle (13) verlegten Leitern der an den in Stromflußrichtung hinteren Enden der Kathodenkontaktbolzen (29) der vorgeschalteten Zelle (13) austretende Strom abgenommen wird, und daß die erste Stromzuleitungsschiene (21) der benachbarten nachgeschalteten Zelle (14) über zwei an der in Stromflußrichtung hinteren Zellenseite angeordnete Steigleitungen (25,26) gespeist wird, wobei der an den in Stromflußrichtung hinteren Enden der Kathodenkontaktbolzen (29) austretende restliche Strom mit

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zwei Leitern (23,24) abgenommen wird, die nach b&deh um das Zellenkopfende herumgeführt sind und die erste Stromzuleitungsschiene (21) der nachgeschalteten Zelle (14) über zwei Steigleitungen (23,24) speisen, die an jeder Schmalseite angeordnet sind, und wobei der an den. in Stromflußrichtung vorderen Enden der Eathodenkontaktbolzen (29) austretende Strom von zwei Leitern (15_f ^S) -abgenommen wird, die die zweite Stromzuleitungsschieme (22) der nachgeschalteten Zelle (14) über zwei Steigleitungen (27,28) speisen, die an ihrer in Stromflußrichtung hinteren Seite angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unter der Zelle (13) verlegten Leiter gegenüber den von ihnen gespeisten Steigleitungen (25,26) in Richtung des Zellenzentrums versetzt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromzuleitungsschiene (21) der nachgeschalteten Zelle (14) die in Stromflußrichtung hintere Stromsuleitungsschiene, die zweite •Stromzuleitungsschiene (22) die in Stromflußrichtung vordere ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit zur gemeinsamen Symmetrieebene (XX) der Zellen paarweise symmetrisch angeordneten Steigleitungen, welche die von einem vorderen und einem hinteren Element zusammengesetzten Kathodensammelleitungen der vorgeschalteten Zelle (13) mit den Stromzuleitungsschienen (21,22) der nachge schalteten Zelle (14) verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung ein Mittelsegment (17 bzw. 18) und ein Endsegment (19 bzw. 20) hat, und daß vier Steigleitungen vorhanden sind, nämlich eine hintere (23) und eine vordere Endsteigleitung (24), welche die Enden der Endsegmente (19,20) der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung der vorgeschalteten Zelle (13) mit den. Enden der in Stromflußrichtung

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hinteren Stromzuleitungsschiene (21) der nachgeschalteten Zelle (14) verbinden, und eine vordere und eine hintere Mittelsteigleitung mit jeweils zwei Segmenten (25,27 bzw. 26,28), die im wesentlichen in der einen oder der anderen der beiden zur Symmetrieebene (XX) parallelen, durch den η-ten bzw. (1-n)-ten Teilungspunkt der Länge der Kathoden (2) gehenden Ebenen und den Lücken zwischen den Mittelsegmenten (17»18) und den Endsegmenten (19,20) der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung gegenüber angeordnet sind, wobei η eine Bruchzahl zwischen 1/8 und 1/4 ist, und wobei das erste Segment (25 bzw. 26) jeder Steigleitung von einem Punkt des Mittelsegmentes (17 bzw. 18) der in Stromflußrichtung hinteren Sammelleitung ausgeht, unter der vorgeschalteten Zelle (13) verlegt ist und an der in Stromflußrichtung hinteren Stromzuleitungsschiene (21) ankommt, während das zweite Segment (27 bzw. 28) vom entsprechenden Segment (15 bzw. 16) der in Stromflußrichtung vorderen Sammelleitung ausgeht und an der in Stromflußrichtung vorderen Stromzuleitungsschiene (22) ankommt.

.6. Vorrichtung nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet , daß jede in Stromfluß richtung hintere und vordere Sammelleitung einen elektrischen Strom liefert, der gleich ist der Hälfte des durch die Zelle fließenden Gesamtstromes, wobei der Strom, der in jeder der unter der vorgeschalteten Zelle (13) verlegten Steigleitungen (25,26) fließt, zwischen 1/8 und 3/16 des Gesamtstromes (i) beträgt, wobei l/8 η = 1/4 entspricht, während 31/16 η β 1/8 entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das unter der vorgeschalteten Zelle (13) verlegte Segment (25 bzw. 26) der Mittelsteigleitung im wesentlichen im Mittelpunkt des Mittelsegmentes (17 bzw. 18) der in Stromflußrich'tung hinteren Sammelleitung angeschlossen ist.

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