DE2709821A1

DE2709821A1 - Verfahren und vorrichtung zum kompensieren der magnetischen felder der einander benachbarten reihen von querangeordneten schmelzflusselektrolysezellen

Info

Publication number: DE2709821A1
Application number: DE19772709821
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Dugois; Paul Morel
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1977-03-07
Publication date: 1977-09-15
Also published as: FR2343826A2; FR2343826B2; DE2709821C2; GB1551887A

Description

ALUMINIUM PECHINEY,
28, rue de Bonnel,
69003 Lyon, Prankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen von querangeordneten Schmelzflußelektrolysezellen

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen von querangeordneten Schmelzflußelektrolysezellen nach der Patentanmeldung P 26 53 643·6.

Aluminium wird im großtechnischen Maßstab in elektrisch hintereinandergeschalteten Zellen durch Schmelzflußelektrolyse einer Tonerdelösung in Kryolith hergestellt, der durch die Joulesehe Wärme des durch die Zelle fließenden Stromes auf eine Temperatur von ungefähr 950 bis 1000 ⁰C gebracht worden ist.

Jede Zelle hat eine rechteckige Kathode, die eine Wanne bildet, deren Boden von Kohleblöcken gebildet ist, welche mit als kathodische Stangen bezeichneten Stangen aus Stahl vergossen sind, die dazu dienen, den Strom aus der Kathode heraus zu den Anoden der nachfolgenden Zelle weiterzuleiten.

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Die Anoden, ebenfalls aus Kohle, sind mit Stangen vergossen, die an anodische Schienen genannte Stangen aus Aluminium angeklemmt sind, welche an einem über der Wanne der Zelle angeordneten Überbau befestigt sind. Diese anodischen Schienen sind über Steigleitungen genannte Leiter aus Aluminium an die kathodischen Stangen der voraufgehenden Zelle angeschlossen.

Zwischen den Anoden und der Kathode befindet sich das Elektrolysebad, d.h. die Tonerdelösung in Kryolith. Das erzeugte Aluminium setzt sich an der Kathode ab, wobei am Boden der kathodischen Wanne stets eine Aluminiumreserve in Form einer Aluminium schicht einer bestimmten Dicke beibehalten wird.

Da die Wanne rechteckig ist, sind die die Anoden tragenden anodischen Schienen im allgemeinen parallel zu den Langseiten der Wanne angeordnet, während die kathodischen Stangen zu den Wannenköpfe genannten Schmalseiten der Wanne parallel sind.

Die Zellen sind in Reihen längs oder quer angeordnet, je nachdem, ob ihre Langseite oder ihre Schmalseite zur Achse der Reihe parallel ist. Die Zellen sind elektrisch hintereinandergeschaltet, wobei die Enden der Serie mit dem positiven und dem negativen Ausgang einer elektrischen Gleichrichterund Regelanlage verbunden sind. Jede Zellenserie hat eine bestimmte Zahl von in Reihe geschalteten Reihen, wobei eine gerade Reihenzahl bevorzugt wird, um unnötige Leiterlängen zu vermeiden.

Der durch die verschiedenen Leiter - Elektrolyt, flüssiges Metall, Anoden, Kathode, Verbindungsleitungen - fließende elektrische Strom erzeugt große magnetische Felder. Diese Felder induzieren im Elektrolysebad und im in der Wanne enthaltenen geschmolzenen Metall Laplace-Kräfte genannte Kräfte, die infolge der Bewegungen, die sie erzeugen, für den guten Gang der Zelle nachteilig sind. Die Zelle und ihre Verbindungsleitungen werden so konstruiert, daß sich die durch

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die verschiedenen Bauteile der Zelle und die Verbindungsleitungen erzeugten magnetischen Felder kompensieren: es ergibt sich somit eine Zelle, die als Symmetrieebene die zur Zellenreihe parallele und durch das Zentrum der Wanne gehende vertikale Ebene hat.

Die Zellen sind jedoch auch magnetischen Störfeldern ausgesetzt, die von der oder den benachbarten Reihen ausgehen.

Im Folgenden sind die Begriffe "hinten" bzw. "vorgeschaltet" und "vorn" bzw. "nachgeschaltet" sowie analoge Wortbildungen auf die allgemeine Richtung des elektrischen Stromes in der betrachteten Zellenreihe bezogen. Unter "benachbarte Reihe" wird die Reihe verstanden, die der betrachteten Reihe am nächsten ist, und unter "Feld der benachbarten Reihe" die Resultierende der Felder aller Reihen außer der betrachteten Reihe.

In der Patentanmeldung P 26 53 643·6 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen von querangeordneten Schmelzflußelektrolysezellen beschrieben, bei dem bzw. der die Verteilung des Stroms in die die Anode einer nachgeschalteten Zelle speisenden Leiter ab der Kathode der benachbarten vorgeschalteten Zelle in der Weise geändert wird, daß der Zelle eine elektrische Schleife überlagert wird, die ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, das dem von der benachbarten Reihe erzeugten magnetischen Feld ungefähr gleich und entgegengesetzt gerichtet ist.

Jede Zelle weist wenigstens zwei anodische Schienen auf, an die mit den Anoden vergossene Stangen angeklemmt sind, und eine kathodische Wanne, deren Boden von Kohleblöcken gebildet ist, die mit kathodischen Stangen vergossen sind, wobei die anodischen Schienen der nachgeschalteten Zelle von den kathodischen Stangen der vorgeschalteten Zelle aus über wenigstens zwei Steigleitungen mit elektrischem Strom versorgt werden, von denen eine innen, d.h. an der der benachbarten

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Reihe zugewandten Seite, die andere außen angeordnet ist und jede zwei Leiter aufweist, von denen der eine mit den hinteren Enden der kathodischen Stangen, der andere mit den vorderen Enden der kathodischen Stangen verbunden ist. Einer der Leiter der inneren Steigleitung, entweder der Leiter an der hinteren Seite oder der Leiter an der vorderen Seite, ist mit mehr als der Hälfte der entsprechenden Enden der an der inneren Seite zugrundegelegten kathodisohen Stangen verbunden, wobei der entsprechende Leiter der äußeren Steigleitung an die Enden an der äußeren Seite angeschlossen ist, die nicht mit der inneren Steigleitung verbunden sind, und wobei der andere innere Leiter, entweder der Leiter an der vorderen Seite oder der Leiter an der hinteren Seite, mit der an der inneren Seite liegenden Hälfte der entsprechenden Enden und der entsprechende äußere Leiter mit der an der äußeren Seite angeordneten Hälfte verbunden ist.

Es ist leicht, die Stromstärke des Stroms zu bestimmen, der vom äußeren Leiter zum inneren Leiter umzuleiten ist, um eine elektrische Schleife zu schaffen, die ein zusätzliches positives vertikales Feld erzeugt, das ungefähr die gleiche Stärke hat wie das von der benachbarten Reihe erzeugte negative vertikale Feld. Das Feld ist proportional der Stromstärke: durch Übereinanderlagern der Stromstärken werden somit die entsprechenden Felder einander überlagert.

Die Berechnung der umzuleitenden Stromstärke besteht somit darin, das von der vorstehend definierten Schleife erzeugte Feld in Abhängigkeit von der Stromstärke I des durch die Schleife fließenden umgeleiteten Stromes zu berechnen oder zu messen, dieses Feld sodann demjenigen der Zelle ohne Kompensation zu überlagern, und schließlich I 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

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Diagramm über I aufgetragen, und dann wird der dem absoluten Betrag des Minimums des maximalen vertikalen Feldes entsprechende Wert I von I direkt abgelesen. Sodann wird der elektrische Anschluß vorgenommen, indem an jeden Kreis eine bestimmte Anzahl von kathodischen Stangen angeschlossen wird, in der Weise, daß die Stromstärke I so nahe wie möglich an

I herankommt,
ο

Beim Durchführen des Verfahrens und im Betrieb der Vorrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung stellt sich jedoch heraus, daß sich die benachbarte Reihe auf die innenliegende Seite der Zelle günstig auswirkt, da sie ein zum Eigenfeld der Zelle entgegengesetzt gepoltes Feld erzeugt, während sie auf die außenliegende Seite der Zelle einen ungünstigen Einfluß hat, da sie dort ein Feld erzeugt, das sich zum Eigenfeld der Zelle hinzuaddiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompensation des Feldes der benachbarten Reihe nur an der außenliegenden Seite der Zelle zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Kompensationsschleife die Zelle nicht vollständig umschließt, sondern auf einen Bereich unter dem außenliegenden Kopf beschränkt ist.

Eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist so ausgelegt, daß ein Teil des den vorgeschalteten äußeren Leiter durchströmenden Stroms nicht mehr nach innen umgeleitet wird, sondern unter der Zelle geführt wird, wobei dieser Strom, nachdem er unter der Zelle hindurchgeflossen ist, zum vorgeschalteten äußeren Leiter zurückströmt.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind sowohl bei Zellen mit kopfseitig angeordneten Steigleitungen als auch bei Zellen mit zentralen Steigleitungen anwendbar.

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Die Lage dieses Leiters, der im Folgenden als Kompensationsleiter bezeichnet wird, muß so gewählt sein, daß das von ihm erzeugte magnetische Feld an der Stelle der Wanne ein Maximum hat, an der das zu kompensierende vertikale magnetische Feld am stärksten ist, d.h. in der Nähe der außenliegenden Ecke der Anode. Der Kompensationsleiter muß unter dem Boden der Zelle auf dem höchstmöglichen Niveau angeordnet sein. Zum Bestimmen seiner Lage in der waagerechten Ebene wird der Wert oder Betrag des vertikalen magnetischen Feldes, das von einem zur Vereinfachung der Rechnung als unendlich angenommenen waagerechten Leiter erzeugt wird, an einer Stelle M berechnet, die in einem Abstand h über dieser Ebene liegt.

In Fig. 1 ist mit C der in Längsrichtung betrachtete Querschnitt eines Kompensationsleiters 6 (Fig. 2) oder 7 (Fig. 3) bezeichnet, mit M die Stelle, an der das von der benachbarten Reihe erzeugte, zu kompensierende magnetische Feld am stärksten ist. Die Ebene, die den Kompensationsleiter 6 oder 7 und die Stelle M enthält, bildet mit der Vertikalen einen Winkel 06 . Bezeichnet man mit I die Stromstärke des im Kompensationsleiter 6 oder 7 fließenden Stromes, dann ist das magnetische Feld B an der Stelle M

B = cos oo .

Bezeichnet man die vertikale Komponente des Feldes an der Stelle H mit B_z, ergibt sich:

B„ β B · sin et

^z 1

= — · 2 cos «i sin°</ h

= ^ · sin 2 ec . B_z hat einen maximalen Wert bei sin 2°c = 1, also bei oC = 45°.

Wie Fig. 2 zeigt, muß der Kompensationsleiter 6 also so angeordnet sein, daß die von ihm und einer außenliegenden

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Ecke 5 (Pig. 2) der Anode 1 (Pig. 2) definierte Ebene mit der Vertikalen einen Winkel von 45° bildet.

Fig. 2 zeigt einen schematischen vertikalen Schnitt durch den außenliegenden Kopf einer Elektrolysezelle mit einer Anode 1, einem geschmolzenen Elektrolyten 2, einer Schicht 3 flüssigen Aluminiums, einem kathodischen Block 4, einer unteren Ecke 5 der Anode 1, in deren Nähe das zu kompensierende vertikale magnetische Feld ein Maximum hat, und mit einem Kompensationsleiter 6.

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht des außenliegenden Kopfes einer Elektrolysezelle und zeigt die genaue Lage und den Verlauf eines Kompensationsleiters 7. Er hat eine Niederführung 8, die vom/vorgeschalteten äußeren Minusleiter 9 bis auf die Höhe des Bodens einer Zelle 10 reicht, eine Horizontalführung 11, die unter der Zelle 10 parallel zu deren Schmalseite 12 verläuft, eine Hochführung 13 bis auf das Niveau eines nachgeschalteten äußeren Minussammlers 14, die zwischen dem letzteren und der Wanne der Zelle 10 angeordnet ist, und eine zur Langseite 16 der Zelle 10 parallele Rückführung 15, die an den vorgeschalteten äußeren Minusleiter 9 angeschlossen ist. Die mit Pfeilen versehene gestrichelte Linie zeigt, wie sich die das Kompensationsfeld erzeugende elektrische Schleife bildet.

Sobald die Lage des Kompensationsleiters 7 festgelegt ist, läßt sich die Stromstärke, die in der Schleife fließen muß, in der weiter oben beschriebenen Weise bestimmen, indem man die Veränderung des vertikalen Feldes an den außen- und innenliegenden Ecken an der vorgeschalteten Seite in Abhängigkeit von der Stromstärke berechnet und die Stromstärke wählt, bei der diese beiden Werte gleich werden.

Das Diagramm in Fig. 4 zeigt am Beispiel einer Elektrolysezelle von 90 kA, wie diese Bestimmung vorgenommen werden kann.

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Die Stromstärke des im Kompensationsleiter fließenden Stromes wird verändert, und diese Stromstärkenwerte werden als Abszissen in das Diagramm eingetragen.

Sodann wird der Wert in Gauß des vertikalen magnetischen Feldes in den Ecken, nämlich in der innenliegenden hinteren Ecke, in der außenliegenden hinteren Ecke, in der innenliegenden vorderen Ecke und in der außenliegenden vorderen Ecke gemessen und als Ordinaten eingetragen. Zusätzlich wird das Feld im Zentrum der Zelle berechnet.

Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, daß der optimale Wert des Kompensationsstromes etwas weniger als 10 kA beträgt. Bei Annahme von 9,5 kA ergeben sich die folgenden Werte:

Magnetisches Feld in Gauß (absolute Werte)

ohne mit Kompensa-Kompensation tionsleiter

Vertikal

im Zentrum innenliegende hintere Ecke außenliegende hintere Ecke innenliegende vordere Ecke außenliegende vordere Ecke

111

90

29

88,8

88,5

30,5

Horizontal im Zentrum

0 2

(in Längsrichtung)

Bei dem mit diesem Kompensationsmodus erzeugten horizontalen Feld besteht im Zentrum eine quergerichtete Komponente mit dem Wert null und eine längsgerichtete Komponente mit einem sehr geringen Wert.

/Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen von querangeordneten Schmelzflußelektrolysezellen, bei dem die Verteilung des Stromes in die die Anode einer nachgeschalteten Zelle speisenden Leiter ab der Kathode der benachbarten vorgeschalteten Zelle in der Weise geändert wird, daß der Zelle eine elektrische Schleife überlagert wird, die ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, das dem von der benachbarten Reihe erzeugten magnetischen Feld ungefähr gleich und entgegengesetzt gerichtet ist, nach der Patentanmeldung P 26 53 643.6, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schleife (Niederführung 8, Horizontalführung 11, Hochführung 13, Rückführung 15) ihre Kompensationswirkung einzig auf den außenliegenden Kopf der Elektrolysezelle (10) ausübt.

2. Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensationsschleife (Niederführung 8, Horizontalführung 11, Hochführung 13, Rückführung 15) dadurch gebildet ist, daß unter dem außenliegenden Kopf der Zelle (10) in einem Kompensationsleiter (7) ein Teil des im vorgeschalteten äußeren Minusleiter

(9) fließenden Stromes hindurchgeführt ist, wobei dieser Stromanteil sodann in denselben vorgeschalteten Minussammler (9) zurückströmt, indem er an der nachgeschalteten Längsseite (16) der Zelle (10) entlangströmt.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Vorrichtung zum Kompensieren der magnetischen Felder der einander benachbarten Reihen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kompensationsleiter (7) unter der Zelle (10) auf dem höchstmöglichen Niveau waagerecht und parallel zu den Schmalseiten (12) der Zelle (10) so angeordnet ist, daß die Ebene, die durch die außenliegende Ecke der Anode und den Kompensationsleiter (7) geht, mit der Vertikalen einen Winkel (β*» ) von im wesentlichen 45° bildet.

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