DE2653643C3

DE2653643C3 - Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder von einander benachbarten Reihen von quer angeordneten Schmelzfluß-Elektrolysezellen

Info

Publication number: DE2653643C3
Application number: DE2653643A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Saint Jean-De-Maurienne Dugois
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1986-11-13
Also published as: BR7607830A; SE7613201L; FR2333060B1; DE2653643A1; OA05489A; YU284876A; RO70909A; JPS5268010A; CA1067036A; SE426714B; GB1551160A; IS2357A7; IN148703B; NO147956B; DE2653643B2; PL112615B1; JPS573752B2; ES453578A1; FR2333060A1; IT1099552B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kompensieren des magnetischen Feldes einer benachbarten Reihe von quer angeordneten Schmelzfluß-Elektrolysezellen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Eine derartige Anordnung von Elektrolysezellen ist aus der GB-PS 7 94 421 (F ι g. 5) bekannt. Dort wird der Kathodenstrom der vorgeschalteten Zelle unter den Wannen der Elektrolysezellen entlanggeführt und /ur Kompensation der Magnetfelder anderer stromführender Leiter gegebenenfalls asymmetrisch in die ;inodischen Schienen eingespeist. Zur Kompensation des magnetischen Feldes der benachbarten Reihe wird in der GB-I¹S 94 421 vorgeschlagen, die Reihen durch Abschirmungen voneinander magnetisch zu isolieren oder für jede Zellenreihe eine Sirom-Rückleitur.g vorzusehen, die unmittelbar benachbart der Strom Hinleitung angeordnet wird, so daß sich in einer bestimmten Entfernung von den beiden Leitern deren Magnetfelder kompensieren. Die magnetische Abschirmung ist aufwendig und teuer, so daß sie sich in Praxis nicht durchgesetzt hat. Auch die Anordnung einer Strom-Rückleitung ist sehr aufwendig.

In der FR-PS 20 96 485 wird vorgeschlagen, bei Reihen von längsgestellten Elektrolysezellen die Magnetfelder der Nachbarreihe dadurch zu kompensieren, daß auf der Innenseite der Reihe ein zusätzlicher Strom entlanggeführt wird. Die mit dieser Anordnung erzielte Magnetfeldkompensation erstreckt sich aber nicht gleichmäßig über die gesamte Zelle.

In der Zeitschrift »Erzmetall«, Band 27 (1974), Heft 10, S. 461—510, ist eine Reihe von quer gestellten

Elekirolysezellen beschrieben, bei der die kathodischen Aluminiumschienen zur Erzielung einer asymmetrischen Stromverteilung in der Kathode durchtrennt sind. Eine genauere Bestimmung der Art der Durchtrennung wird dort nicht beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die magnetischen Felder von einander benachbarten Reihen bei quer angeordneten Schmelzfluß-Elektrolysezellen mit wenig Aufwand kornpensiert werden können.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 dii; Richtung der von der benachbarten Reihe und von den Steigleitungen erzeugten Felder, to

F i g. 2 eine Draufsicht auf zwei Zellen einer Reihe, bei denen das Feld der benachbarten Reihe kompensiert ist (Anspruch 2),

F i g. 3 ein Prinzipschema einer Vorrichtung zum Kompensieren, die gegenüber dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel abgewandelt ist (Anspruch 1),

F i g. 4 eine detaillierte Darstellung des in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels.

F i g. 5 eine graphische Darstellung, in der über dem Strom, der in der elektrischen Schleife fließt, das magnetische Feld an den vier Ecken der Wanne aufgetragen ist

Gemäß F i g. 1 ist in einer ersten Reihe eine Zelle 1 durch ihre kathodische Wanne dargestellt, die im Schnitt in einer zur Achse der Reihen rechtwinkligen vertikalen Ebene gezeichnet ist. Die nicht gezeichneten Anoden der Zelle 1 werden durch zwei Steigleitungen 2 und 3 gespeist. Bei der betrachteten Reihe fließt der Strom in der 2P dem Betrachter entgegengesetzten Richtung; das von der Steigleitung 2 erzeugte magnetL.ie FeIa ist durch einen Pfeil 4, das von der Steigleitung 3 erzeugte magnetische Feld durch einen Pfeil 5 dargestellt.

Rechts von der Zelle 1 ist eine Zelle 6 der unmittelbar benachbarten Reihe angeordnet, welche ebenfalls durch ihre kathodische Wanne dargestellt ist. Die nicht gezeichneten Anoden der Zelle 6 werden durch Steigleitungen 7 und 8 gespeist. Bei dieser Reihe fließt der Strom rechtwinklig zur Zeichnungsebene auf den Betrachter zu. Die Zelle 6 erzeugt in der Zelle 1 ein durch Pfeile 9 dargestelltes vertikales magnetisches Feld.

Bezeichnet man die Steigleitung 2. die an der Zelle 1 an der benachbarten Zelle 6 zugewandten Seite vorbeigeführt ist, als innere Steigleitung und die Steigleitung 3 an der entgegengesetzten Seite als äußere ä Steigleitung, so ergibt sich, daß die äußere Steigleitung 3 in der Zelle 1 ein vertikales magnetisches Feld (Pfeil 5)

erzeugt, das die gleiche Richtung hat wie das von der Zelle 6 der benachbarten Reihe erzeugte Feld (Pfeil 9). Sie erzeugt auch ein sehr viel schwächeres waagerechtes magnetisches Feld, auf das weiter unten zurückgekommen wird.

Es wird die Stromstärke des in der äußeren Steigleitung 3 fließenden Stromes zugunsten der inneren Steigleitung 2 herabgesetzt, was zu einer Verringerung des vom äußeren Leiter an der äußeren Schmalseite erzeugten negativen Feldes und zu einer Vergrößerung des von der Inneren Steigleitung (2) an der inneren Schmalseite erzeugten positiven Feldes (Pfeil 4) führt. Der Zelle 1 wird somit eine elektrische Schleife überlagert, die ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, weiches über dem größten Teii der Zeile i dem positiven Feld überlagert ist.

In Fig. 2 ist ein dem Patentanspruch 2 entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben Die vorgeschaltete Zelle 10 hat ene kathodische Wanne 11 und einen Überbau 12. Der Boden üer Wanne 11 ist aus Kohleblöcken zusammengesetzt, die mit zwölf kathodischen Stangen 13 bis 24 vergossen sind. Die nachgeschalleie Zelle 25 hat eine kathodische Wanne 26 und einen Überbau 27 mit zwei anodischen Schienen 28 und 29. an die die nicht gezeichneten Anodenstangen angeklemmt sind.

Die Zellen 10 und 25 sind vom Typ mit Stirn- oder kopfseitig angeordneten Steigleitungen. Gemäß F ig. 2 sind acht der hinteren Enden von insgesamt zwölf kathodischen Stangen 13 bis 24. nämlich der Stangen 13 bis 20. an der linken Seite mit dem entsprechenden Ende der anodischen Schienen 28 und 29 der nachgeschalteten Zelle 25 durch einen Leiter 30 verbunden. Wären die vorderen Enden der kathodischen Stangen 13 bis 24 symmetrisch in bezug auf die Achse 34 auf die innere und die äußere Steigleitung aufgeteilt, so würde ein schwaches quergerich-UMcs. waagerechtes Magnetfeld erzeugt, das im Fall von Elektrolyseströmen von 90 000 A etwa 5 Gauß betragen würde. Zur Vern^idung eines derartigen waagerechten Magnetfeldes sind gemäß F i g. 2 an der vorderen Seile der vorgeschalteten Zelle 11 innenseitig nur vier Kathodenstangenenden an den inneren Steigleiter 31 angeschlossen. Es wird also die gleiche Anzahl von Kathodenstangenenden. die hinten zusätzlich an der innerer· Steigleitung angeschlossen sind, vorn nicht an die innere Steigleitung 31 geführt, sondern an die äußere Steigleitung 33.

(jemäß F i g. I sind die vertikalen magnetischen Felder in den beiden !linieren Ecken der Zelle von entgegengesetztem Vorzeichen, während das von der benachbarten Reihe erzeugte Feld konstantes Vorzeichen hat. Daraus ergibt sich, daß die Kompensierung des Feldes der benachbarten Reihe in der hinteren äußeren Ecke eine günstige, in der hinteren inneren Ecke jedoch eine ungünstige Auswirkung hat.

Dem läßt sich mit einer Vorrichtung abhelfen, die in F i g. 3 in einem p-'nzipschema und in Fig. 4 in einer Au».führungsform dargestellt ist. Diese Vorrichtung bildet eine Verbesserung der zuvor beschriebenen Vornchtung insofern, als sie auf der äußeren Seite eine stärkere Kompensierung als auf der Innenseite gestattet. Stan einer symmetrischen Einspeisung in die anodischen Schienen 28 und 29 wird folgendermaßen vorgegangen:

— Die hintere anodische Schiene 29 ist an der inneren Seite mit den hinteren kathodischen Stangen der vorgeschalteten Zelle 10 durch eine Steigleitung 35 und an der äußerer Seite mit den vorderen kathodisehen Stangen der vorgeschalteten Zelle 10 durch eine Steigleitung 36 verbunden;

— die vordere anedische Schiene 28 ist an der inneren Seite mit den vorderen kathodischen Stangen der vorgeschalteten Zelle 10 durch eine Steigleitung 37 verbunden, während sie an der äußeren Seite mit den

hinteren kathodischen Stangen der vorgeschalteten Zelle 10 durch eine Steigleitung 38 verbunden ist.

Die beiden anodischen Schienen 28 und 29 sind in ihrer Mitte durch einen zusätzlichen Leiter 39 miteinander verbunden.

Die kathodischen Stangen 13 bis 24 sind, wie oben im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben, zusammengefaßt.

In F i g. 3 ist die Stromstärke I des umgeleiteten Stromes eingetragen, und es ist zu erkennen, daß an der inneren Seite der an der Zelle entlangfließende Strom außerhalb der anodischen Schienen 28 und 29 / und zwischen ihnen Null ist, während an der äußeren Seite die Stromstärke außerhalb der anodischen Schienen 28 und 29 /und zwischen ihnen 2/ist. Die Kompensierung ist somit insgesamt an der äußeren Seite stärker.

Das waagerechte Feld ist nicht mehr Null, sondern es ist längsgerichtet und daher für den guten Gang der Zelle sehr viel weniger nachteilig als bei einer Vorrichtung, die im Zentrum ein quergerichtetes waagerechtes Feld aufweist.

Die Leiter sind so konstruiert, daß sie elektrisch im Gleichgewicht sind, d. h. in der Weise, daß die Spannungsabfälle in allen parallelgeschalteten Kreisen identisch sind: die Leiter 30 und 32, deren Länge größer ist als diejenige der Leiter 31 und 33, haben somit einen größeren Querschnitt.

Es ist leicht, die Stromstärke des Stromes zu bestimmen, der vom äußeren Leiter zum inneren Leiter umzuleiten ist, um eine elektrische Schleife zu errichten, die ein zusätzliches positives vertikales Feld erzeugt, das ungefähr die gleiche Stärke wie das von der benachbarten Reihe erzeugte negative vertikale Feld hat. Das Feld ist proportional der Stromstärke: durch Übereinanderlagern der Stromstärken werden somit die entsprechenden Felder einander überlagert. Die beschriebenen und in F i g. 2,3 und 4 dargestellten Kreise lassen sich daher vereinfacht als Übereinanderlagerung einer herkömmlichen Zelle ohne Kompensierung und einer mit strichpunktierten Linien gezeichneten elektrischen Schleife 40 beschrieben. An diese strichpunktierten Linien gezeichnete Pfeile geben die Stromrichtung in der Schleife 40 an, die anderen Pfeile die Stromrichtung in den verschiedenen Steigleitungen. Durch Übereinanderlagern der Stromstärke des in die Schleife 40 fließenden Stromes und der Stromstärken der in die verschiedenen Leiter fließenden Ströme im Fall der nichtkompensierten Zelle ergibt sich die Stromstärke des resultierenden Stromes, der nach Kompensierung in jeden der verschiedenen Leiter fließt.

Die Berechnung der umzuleitenden Stromstärke besteht somit oarin, das von der vorstehend definierten Schleife 40 erzeugte Feld in Abhängigkeit von der Stromstärke /des durch die Schleife 40 fließenden, umgeleiteten Stromes zu berechnen oder zu messen, dieses Feld sodann demjenigen der Zelle ohne Kompensierung zu überlagern und schließlich /so lange zu verändern, bis das maximale vertikale Feld der Zelle im absoluten Betrag so schwach wie möglich ist.

In der Praxis wird der Wert oder Betrag des vertikalen Feldes an den vier Ecken der Zelle berechnet oder gemessen, in einem Diagramm über / aufgetragen und dann der dem absoluten Betrag des Minimums des maximalen vertikalen Feldes entsprechende Wert /o von /direkt abgelesen (siehe Fig. 5). Sodann wird der elektrische Anschluß vorgenommen, indem an jeden Kreis eine bestimmte Anzahl von kathodischen Stangen angeschlossen wird, so daß die Stromstärke /so nahe wie möglich an /o hcräfiküiTifni.

In Fig. 5 geben die Abszissen die umgeleitete Stromstärke in kA und. auf der unteren Waagerechten, die Anzahl der entsprechenden Stangen an. An den Ordinaten ist der absolute Betrag in Gauß des magnetischen Feldes in den Ecken der Zelle aufgetragen. Die oberen ansteigenden Geraden stellen das Feld in der hinteren inneren Ecke, die oberen fallenden Geraden das Feld in der hinteren äußeren Ecke dar. Die unteren steigenden Geraden stellen das Feld in der vorderen äußeren Ecke, die unteren fallenden Geraden das Feld in der vorderen inneren Ecke dar. Die mit durchgezogener Linie gezeichneten Geraden gelten für die Vorrichtung gemäß F i g. 2. die gestrichelt gezeichneten Geraden für die Vorrichtung gemäß Fig.3 und 4. Es ist zu erkennen, daß der optimale Betrag von /etwa /o = 6 kA ist: die optimale Kompensierung muß daher zwei Stangen betreffen.

In der nachstehenden Tabelle sind in Gauß die magnetischen Felder für eine Zelle von 90 000 A angegeben, und zwar fur eine Zelle ohne Kompensierung des von der benachbarten Reihe erzeugten Feldes, bei der jedoch das hintere Ende der kathodischen Stange 19 mit dem äußeren Leiter 32 und nicht mit dem inneren Leiter 30 verbunden ist. und für eine Zelle mit Kompensierung gemäß jeder der beschriebenen Vorrichtungen, d. h. gemäß F i g. 2 und 3 mit 4. Der Mittenabstand zwischen den Zellenreihen beträgt 15,5 mm.

Das Diagramm der F i g. 5 entspricht den in F i g. 2 (durchgezogene Linien) und in F i g. 3 und 4 (gestrichelte Linien) dargestellten Anordnungen und den obigen Daten.

Tabelle Magnetfeld, in Gauß

Magnetfeld

Meßstelle

Ohne Kompensation

I.Vorrichtung Fig.2

Z Vorrichtung Fig. 3.4

Vertikal	Zentrum	10	2	2
	hintere Ecke innen	-90	-104	-100
	hintere Ecke außen	111	98	100
	vordere Ecke innen	29	• 16	19
	vordere Ecke außen	-9	-22	-25
Waagerecht	Zentrum	0	0	5
				längsgerichtet

Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen Zellen mit kopf- oder stirnseitig angeordneten Steigleitungen, jedoch ist die Vorrichtung auch bei Zellen mit zentralen Steigleitungen anwendbar; die Steigleitungen
sind dann statt entlang der Schmalseiten der Zelle an den Stellen angeordnet, die der Viertel- und der Dreiviertcltcilung der Länge der Zelle entsprechen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kompensieren des magnetischen Feldes einer benachbarten Reihe von quer angeordneten Schmelzfluß-Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium in einer Zellenreihe mit wenigstens einer vorgeschalteten Zelle (10) und einer nachgeschalteten Zelle (25), bei der jede Zeile (10,25) wenigstens zwei anodische Schienen (28,29) aufweist, an die mit den Anoden vergossene Stangen angeklemmt sind und in deren Enden Ströme unterschiedlicher Stärken einleitbar sind, und eine kathodische Wanne (11), deren Boden von Kohleblöcken gebildet ist, die mit kathodischen Stangen (13—24) vergossen sind, wobei die anodischen Schienen (28, 29) der nachgeschalteten Zelle (25) mit den kathodischen Stangen (13-2^) der

ίο vorgeschalteten Zelle (10) über wenigstens zwei Steigleitungen (Leiter 35, 37; 38, 36) verbunden sind, von denen eine (Leiter 35,37) innen, d. h. an der der benachbarten Reihe zugewandten Seite, die andere (Leiter 36,38) außen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stangen (13—24) in Stromrichtung erstrecken, daß jede Steigleitung zwei Leiter (35,37; 38,36) aufweist, von denen der eine (35,38) mit den hinteren Enden der kathodischen Stangen (13—24), der andere (37,36) mit den orderen Enden der kathodisehen Stangen (13—24) verbunden ist, daß einer der Leiter (35) der inneren Steigleitung mit mehr als der Hälfte der Enden der an der hinteren inneren Seite angeordneten Kathodischen Stangen verbunden ist, daß der entsprechende Leiter (38) der äußeren Steigleitung an die Enden an der äußeren, hinteren Seite angeschlossen ist, die nicht mit der inneren Steigleitung (Leiter 35, 37) verbunden sind, daß der andere innere Leiter (37) an der vorderen Seite innenseitig mit entsprechend weniger als der Hälfte der Enden und der entsprechende äußere Leiter (36) mit dem Rest der vorderen Kathodenstangen-Enden verbunden ist und daß die Mitttisrücke der anodischen Schienen (28,29) durch einen Leiter (39) miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung zum Kompensieren des magnetischen Feldes einer benachbarten Reihe von quer angeordneten Schmelzfluß-Elektrolysezellen in einer Zellenreihe mit wenigstens einer vorgeschalteten Zelle (10) und einer nachgeschalteten Zelle (25), ohne ein waagerechtes Störfeld zu erzeugen, wobei jede Zelle (10, 25) wenigstens zwei anodische Schienen (28, 29) aufweist, an die mit den Anoden vergossene Stangen angeklemmt sind und in deren Enden Ströme unterschiedlicher Stärken einleitbar sind, und eine kathodische Wanne (11), deren Boden voj Kohleblöcken gebildet ist, die mit kathodischen Stangen (13—24) vergossen sind, wobei die anodischen Schienen (28, 29) der nachgeschalteten Zelle (25) mit den kathodischen Stangen (13—24) der vorgeschalteten Zelle (10) über wenigstens zwei Steigleitungen (Leiter 30,31; 32,33) verbunden sind, von denen eine (Leiter 30,31) innen, d. h. an der der benachbarten Reihe zugewandten Seite, die andere (Leiter 32,33) außen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich aie Stangen (13—24) in Stromrichtung erstrecken, daß die Steigleitungen jeweils zwei Leiter (30, 31; 32, 33) aufweisen, von denen der eine (30,32) mit den hinteren End in der ' athodischen Stangen (13—24), der andere (31,3.^) mit den vorderen Enden der kathodischen Stangen (13—24) verbunden ist, daß der hintere Leiter (30) der inneren Steigleitung (30,31) mit mehr als der Hälfte der him i'en Enden der an der inneren Seite angeordneten kathodischen Stangen verbunden ist, wobei der hintere Leiter (32) der äußeren Steigleitung (32, 33) an die Enden an der äußeren Seite angeschlossen ist. die nicht mit dem inneren Leiter (30) verbunden sind, der vordere Leiter (33) an der äußeren Seite mit der gleichen, die Hälfte übersteigenden Zahl vorderer Enden der an der äußeren Seile angeordneten kathodischen Stangen verbunden ist. und der vordere innere Leiter (31) an die vorderen Enden

AO an der inneren Seite angeschlossen ist, die nicht mit dem vorderen äußeren Leiter (33) verbunaen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere anodische Schiene (29) der nachgeschalteten Zelle (25) an der inneren Seite mit den hinteren Enden der kathodischen Stangen (13 — 24) und an der äußeren Seite mit den vorderen Enden der kathodischen Stangen (13—24) der vorgeschalteten Zelle (10) verbunden ist. während die vordere anodische Schiene (28) der nachgeschalteten Zelle (25) an der inneren Seite mit den vorderen Enden der kathodischen Stangen (13 — 24) und an der äußeren Seite mit dun hinteren Enden der kathodischen Stangen (13 — 24) der vorgeschalteten Zelle (10) verbunden ist. wobei die Mittelstücke der anodischen Schienen (28,29) außerdem durch einen Leiter (39) miteinander verbunden sind.